Chapter 11: Thermodynamics (Thermal Properties of Gases)

Physics Class 11

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🔰 भूमिका (Introduction)

जब किसी gas को heat दी जाती है, तो उसका temperature बढ़ता है, वह expand करती है और उसमें internal changes आते हैं।
Thermodynamics वही science है जो यह बताता है कि heat, work और energy आपस में कैसे related हैं।

इस chapter में हम सीखेंगे:

• ऊष्मा (Heat), कार्य (Work), और आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy) का संबंध
• Thermodynamic Laws
• Real-life applications जैसे Refrigerator और Heat Engine

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1️⃣ Basic Terms in Thermodynamics

🔹 System और Surroundings

System: जिस part पर study कर रहे हैं (e.g., gas in cylinder)
Surroundings: बाकी सब कुछ system के बाहर
👉 System + Surroundings = Universe

🔹 Types of Systems

• Open System: Mass और energy दोनों जा सकते हैं (e.g., kettle without lid)
• Closed System: केवल energy जा सकती है, mass नहीं (e.g., sealed bottle)
• Isolated System: ना energy, ना mass जा सकते हैं (e.g., thermos)

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2️⃣ Internal Energy (U)

Internal energy एक gas की total microscopic energy होती है — यानी molecule की kinetic + potential energy।
जब हम gas को heat देते हैं या उस पर work करते हैं, तो उसकी internal energy बदलती है। ΔU=Ufinal−Uinitial\Delta U = U_{\text{final}} – U_{\text{initial}}

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3️⃣ Heat (Q), Work (W), और Internal Energy (U) का संबंध

Thermodynamics का पहला नियम बताता है कि: Q=ΔU+WQ = \Delta U + W

🔹 जहाँ,

• QQ = Heat supplied to system
• WW = Work done by system
• ΔU\Delta U = Change in internal energy

📌 अगर heat दी जा रही है, तो QQ positive
📌 अगर system ने काम किया, तो WW positive

🧠 Real-life Example:
Cylinder में gas को गर्म करने पर piston ऊपर उठता है — heat दी गई → gas ने expand किया → work किया → internal energy बढ़ी।

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4️⃣ Thermodynamic Processes

🔸 (i) Isothermal Process

Temperature constant रहता है ΔU=0⇒Q=W\Delta U = 0 \Rightarrow Q = W

📌 Example: Ice melting at 0°C

🔸 (ii) Adiabatic Process

No heat exchange Q=0⇒ΔU=−WQ = 0 \Rightarrow \Delta U = -W

📌 Example: Rapid compression of gas

🔸 (iii) Isobaric Process

Pressure constant
📌 Heat दिया गया → volume बढ़ता है → piston ऊपर उठता है

🔸 (iv) Isochoric Process

Volume constant → no work done W=0⇒Q=ΔUW = 0 \Rightarrow Q = \Delta U

📌 Example: Gas heated in rigid container

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5️⃣ Work Done by Gas

अगर gas expand करती है: W=PΔVW = P \Delta V

🔸 Positive W → gas ने काम किया
🔸 Negative W → gas पर काम किया गया

📌 Graph में यह Area under P-V curve होता है

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6️⃣ First Law of Thermodynamics

👉 Energy का conservation ΔU=Q−W\Delta U = Q – W

कहता है कि system को दी गई heat, internal energy में और work में convert होती है।

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7️⃣ Specific Heats of Gas

गैस के लिए दो प्रकार की specific heat होती हैं:

🔸 (i) Specific Heat at Constant Volume CVC_V

No work is done Q=nCVΔTQ = n C_V \Delta T

🔸 (ii) Specific Heat at Constant Pressure CPC_P

Work done is considered Q=nCPΔTQ = n C_P \Delta T

🔹 Relation: CP−CV=RC_P – C_V = R

(R = Universal gas constant)

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8️⃣ Second Law of Thermodynamics

ये बताता है कि heat energy हमेशा high temperature से low temperature की तरफ जाती है — खुद-ब-खुद उल्टा नहीं होता।

🔹 Kelvin-Planck Statement:

कोई भी heat engine 100% efficiency से work नहीं कर सकता।

🔹 Clausius Statement:

Heat खुद से cold body को transfer नहीं होती, external work की जरूरत होती है।

📌 Real-life example: Refrigerator में compressor external work करता है जिससे heat बाहर निकले।

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9️⃣ Heat Engine

Heat Engine एक ऐसा device है जो heat को mechanical work में convert करता है।

🔹 Working:

• Heat input: Q1Q_1
• Work output: WW
• Waste heat: Q2Q_2

η=WQ1=1−Q2Q1\eta = \frac{W}{Q_1} = 1 – \frac{Q_2}{Q_1}

🔹 Examples:

• Steam Engine
• Petrol Engine
• Diesel Engine

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🔟 Refrigerator

Refrigerator reverse में work करता है — यानी heat को cold place से खींचकर बाहर निकालता है।

🔹 Coefficient of Performance (COP):

COP=Q2W\text{COP} = \frac{Q_2}{W}

जहाँ Q2Q_2 = heat removed from fridge, WW = work input

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✅ Real-Life Examples Summary

Device	Heat Flow	Work Done	Example
Heat Engine	High → Low	Output	Car engine
Refrigerator	Low → High	Input	Home fridge
Adiabatic	No heat	Only internal energy change	Rapid gas compression
Isothermal	Constant Temp	Gas expansion	Slow heating

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📌 Summary Table

Term	Symbol	Unit	Notes
Internal Energy	U	Joule	Total microscopic energy
Heat	Q	Joule	Energy added
Work	W	Joule	Energy used
Specific Heat	CP,CVC_P, C_V	J/mol·K	Heat capacity
Efficiency	η\eta	%	Work / Heat input

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FAQs – Thermodynamics

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🔚 निष्कर्ष (Conclusion)

Thermodynamics का ज्ञान ना सिर्फ science के students के लिए जरूरी है, बल्कि mechanical engineers, chemists, और even environmentalists के लिए भी।
इसमें energy conservation और heat-flow के fundamental principles हैं जो real-world machines में लागू होते हैं।

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