Willer Academy | Class 11 Thermodynamics

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Class 11 Physics - Thermodynamics

Introduction to Thermodynamics

What is Thermodynamics?

Thermodynamics is the branch of physics that deals with the relationships between heat, work, temperature, and energy. It describes how thermal energy is converted to and from other forms of energy and how it affects matter.

Key Definition

Thermodynamic System: A definite quantity of matter bounded by some closed surface.

Surroundings: Everything outside the system that can exchange energy with the system.

Boundary: The surface that separates the system from its surroundings.

Types of Thermodynamic Systems

System Type	Definition	Example
Open System	Can exchange both energy and matter with surroundings	Open beaker of water
Closed System	Can exchange energy but not matter with surroundings	Sealed piston with gas
Isolated System	Cannot exchange either energy or matter with surroundings	Thermos flask (ideal)

Basic Concepts

Thermal Equilibrium: When two systems are at the same temperature and no heat flows between them.
State Variables: Properties that define the state of a system (P, V, T, etc.).
Process: The path of transformation from one state to another.

Quick Quiz

Which type of system can exchange energy but not matter with its surroundings?

First Law of Thermodynamics

The Law of Energy Conservation

The first law of thermodynamics is essentially the law of conservation of energy applied to thermal systems. It states that energy cannot be created or destroyed, only converted from one form to another.

ΔU = Q - W

Where:

ΔU = Change in internal energy of the system
Q = Heat added to the system
W = Work done by the system

Sign Convention

In thermodynamics, we use a specific sign convention:

Heat added to the system: Positive (+Q)
Heat removed from the system: Negative (-Q)
Work done by the system: Positive (+W)
Work done on the system: Negative (-W)

Applications of the First Law

1. Isochoric Process (Constant Volume)

When volume is constant, no work is done (W = 0), so:

ΔU = Q

2. Isobaric Process (Constant Pressure)

Work done W = PΔV, so:

ΔU = Q - PΔV

3. Adiabatic Process (No Heat Exchange)

When Q = 0, so:

ΔU = -W

4. Isothermal Process (Constant Temperature)

For ideal gases, internal energy depends only on temperature, so ΔU = 0, therefore:

Q = W

Example Problem

A gas expands isothermally at 300 K, performing 500 J of work. How much heat is absorbed by the gas?

Solution: For an isothermal process, Q = W = 500 J. The gas absorbs 500 J of heat.

Important Note

The first law of thermodynamics does not specify the direction of processes. While it allows any process that conserves energy, we know from experience that not all such processes occur naturally. This limitation is addressed by the second law of thermodynamics.

ऊष्मागतिकी का परिचय

ऊष्मागतिकी क्या है?

ऊष्मागतिकी भौतिकी की वह शाखा है जो ऊष्मा, कार्य, तापमान और ऊर्जा के बीच संबंधों से संबंधित है। यह वर्णन करती है कि तापीय ऊर्जा कैसे अन्य रूपों में परिवर्तित होती है और यह पदार्थ को कैसे प्रभावित करती है।

मुख्य परिभाषाएँ

ऊष्मागतिकी निकाय: किसी बंद सतह से घिरे पदार्थ की एक निश्चित मात्रा।

परिवेश: निकाय के बाहर की सब कुछ जो निकाय के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकता है।

सीमा: वह सतह जो निकाय को उसके परिवेश से अलग करती है।

ऊष्मागतिकी निकाय के प्रकार

निकाय प्रकार	परिभाषा	उदाहरण
खुला निकाय	परिवेश के साथ ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान कर सकता है	पानी का खुला बीकर
बंद निकाय	परिवेश के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकता है लेकिन पदार्थ का नहीं	गैस के साथ सील पिस्टन
विलगित निकाय	परिवेश के साथ न तो ऊर्जा और न ही पदार्थ का आदान-प्रदान कर सकता है	थर्मस फ्लास्क (आदर्श)

मूल अवधारणाएँ

तापीय साम्यावस्था: जब दो निकाय एक ही तापमान पर होते हैं और उनके बीच कोई ऊष्मा प्रवाहित नहीं होती है।
अवस्था चर: गुण जो किसी निकाय की अवस्था को परिभाषित करते हैं (दाब, आयतन, तापमान, आदि)।
प्रक्रम: एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तन का पथ।

त्वरित प्रश्नोत्तरी

किस प्रकार का निकाय अपने परिवेश के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकता है लेकिन पदार्थ का नहीं?

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

ऊर्जा संरक्षण का नियम

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम मूल रूप से तापीय निकायों पर लागू ऊर्जा संरक्षण का नियम है। यह बताता है कि ऊर्जा न तो उत्पन्न की जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है, केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित की जा सकती है।

ΔU = Q - W

जहाँ:

ΔU = निकाय की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन
Q = निकाय को दी गई ऊष्मा
W = निकाय द्वारा किया गया कार्य

चिह्न परिपाटी

ऊष्मागतिकी में, हम एक विशिष्ट चिह्न परिपाटी का उपयोग करते हैं:

निकाय को दी गई ऊष्मा: धनात्मक (+Q)
निकाय से निकाली गई ऊष्मा: ऋणात्मक (-Q)
निकाय द्वारा किया गया कार्य: धनात्मक (+W)
निकाय पर किया गया कार्य: ऋणात्मक (-W)

प्रथम नियम के अनुप्रयोग

1. समआयतनिक प्रक्रम (स्थिर आयतन)

जब आयतन स्थिर होता है, कोई कार्य नहीं किया जाता (W = 0), इसलिए:

ΔU = Q

2. समदाबी प्रक्रम (स्थिर दाब)

किया गया कार्य W = PΔV, इसलिए:

ΔU = Q - PΔV

3. रुद्धोष्म प्रक्रम (कोई ऊष्मा विनिमय नहीं)

जब Q = 0, इसलिए:

ΔU = -W

4. समतापी प्रक्रम (स्थिर तापमान)

आदर्श गैसों के लिए, आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है, इसलिए ΔU = 0, अतः:

Q = W

उदाहरण समस्या

एक गैस 300 K पर समतापी रूप से प्रसारित होती है, 500 J कार्य करती है। गैस द्वारा कितनी ऊष्मा अवशोषित की जाती है?

हल: समतापी प्रक्रम के लिए, Q = W = 500 J। गैस 500 J ऊष्मा अवशोषित करती है।

महत्वपूर्ण टिप्पणी

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम प्रक्रमों की दिशा निर्दिष्ट नहीं करता है। जबकि यह किसी भी ऐसे प्रक्रम की अनुमति देता है जो ऊर्जा संरक्षित करता है, हम अनुभव से जानते हैं कि ऐसे सभी प्रक्रम स्वाभाविक रूप से नहीं होते हैं। यह सीमा ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम द्वारा संबोधित की जाती है।