Class 11 Physics Chapter 11 Notes Hindi NCERT

अध्याय 12: ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) ​

यह अध्याय ऊष्मा भौतिकी (Thermal Physics) का सबसे महत्वपूर्ण और केंद्रीय भाग है। यहाँ हम ऊष्मा (Heat) और यांत्रिक कार्य (Mechanical Work) के बीच के अंतर्संबंधों, उनके रूपांतरण के नियमों और गैसीय निकायों (Systems) के व्यवहार का अध्ययन करते हैं। NEET, JEE, CUET और सभी State Boards की परीक्षाओं में यहाँ से भारी मात्रा में ग्राफ और आंकिक प्रश्न (Numericals) पूछे जाते हैं।

1. बुनियादी पारिभाषिक पद (Basic Terms) ​

• ऊष्मागतिक निकाय (Thermodynamic System): कणों (जैसे गैस) का वह समूह जिसकी एक निश्चित सीमा होती है और जिसे दाब (), आयतन (), ताप () जैसे चरों द्वारा व्यक्त किया जा सकता है।
• परिवेश (Surroundings): निकाय के बाहर का वह सब कुछ जो निकाय को प्रभावित कर सकता है।
• तापीय साम्यावस्था (Thermal Equilibrium): यदि दो निकाय एक-दूसरे के संपर्क में हों और उनके बीच ऊष्मा का कोई शुद्ध प्रवाह न हो, तो वे तापीय साम्यावस्था में कहलाते हैं (अर्थात् दोनों का तापमान समान होता है)।

2. ऊष्मागतिकी का शून्यवाँ नियम (Zeroth Law of Thermodynamics - ZLOT) ​

• कथन: यदि दो निकाय (A और B) किसी तीसरे निकाय (C) के साथ अलग-अलग तापीय साम्यावस्था में हों, तो वे आपस में भी एक-दूसरे के साथ तापीय साम्यावस्था में होंगे।

  यदि और

• महत्व: यह नियम तापमान (Temperature) की वैचारिक परिभाषा और बुनियाद प्रदान करता है। इसी नियम के आधार पर थर्मामीटर कार्य करते हैं।

3. ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम (First Law of Thermodynamics - FLOT) ​

यह नियम मूल रूप से ऊर्जा संरक्षण का नियम (Law of Conservation of Energy) ही है।

• कथन: जब किसी निकाय को ऊष्मा दी जाती है, तो वह ऊष्मा दो भागों में खर्च होती है:
  1. निकाय की आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy) को बढ़ाने में।
  2. निकाय द्वारा परिवेश पर बाह्य कार्य (Work Done) करने में।
• गणितीय रूप:

⚠️ चिन्ह परिपाटी (Sign Convention - NCERT/Physics के अनुसार): ​

• निकाय द्वारा अवशोषित (ली गई) ऊष्मा = | निकाय द्वारा उत्सर्जित (दी गई) ऊष्मा =
• निकाय द्वारा किया गया कार्य (प्रसार / Expansion) = | निकाय पर किया गया कार्य (संपीड़न / Compression) =
• निकाय का ताप बढ़ने पर आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि = | ताप घटने पर कमी =

⚙️ ऊष्मागतिक कार्य का सूत्र: ​

• 💡 Graph Trick: दाब-आयतन () सूचक आरेख (Indicator Diagram) के नीचे का कुल क्षेत्रफल हमेशा निकाय द्वारा किए गए कार्य के बराबर होता है। चक्रीय प्रक्रम (Cyclic Process) में यदि गति घड़ी की सुई की दिशा (Clockwise) में हो तो कार्य धनात्मक () और विपरीत (Anti-clockwise) हो तो ऋणात्मक () होता है।

4. विभिन्न ऊष्मागतिक प्रक्रम (Thermodynamic Processes) ​

निकाय की अवस्था बदलने के चार मुख्य तरीके होते हैं:

① समतापी प्रक्रम (Isothermal Process) ​

• शर्त: पूरी प्रक्रिया में निकाय का ताप नियत रहता है ()।
• नियम: यह बॉयल के नियम () का पालन करता है। यह अत्यंत धीमा प्रक्रम है।
• आंतरिक ऊर्जा: चूँकि आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल ताप पर निर्भर करती है, अतः इस प्रक्रम में होती है।

② रुद्धोष्म प्रक्रम (Adiabatic Process) ​

• शर्त: निकाय और परिवेश के बीच ऊष्मा का कोई आदान-प्रदान नहीं होता ()।
• नियम: यह प्वासों के नियम () का पालन करता है। (जहाँ है)। यह अत्यंत तीव्र प्रक्रम है (जैसे टायर का अचानक फटना)।
• किया गया कार्य:(यदि गैस फैलती है (), तो उसका तापमान गिरता है और निकाय ठंडा हो जाता है)।

③ समआयतनिक प्रक्रम (Isochoric Process) ​

• शर्त: निकाय का आयतन नियत रहता है ()।
• कार्य: चूँकि आयतन में कोई परिवर्तन नहीं होता, इसलिए किया गया कार्य हमेशा शून्य () होता है।
• FLOT: (दी गई पूरी ऊष्मा आंतरिक ऊर्जा बदलती है)।

④ समदाबी प्रक्रम (Isobaric Process) ​

• शर्त: निकाय का दाब नियत रहता है ()।
• कार्य:

5. ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम (Second Law of Thermodynamics - SLOT) ​

प्रथम नियम यह तो बताता है कि ऊर्जा बदलती है, परंतु यह ऊष्मा प्रवाह की दिशा और सीमाओं को नहीं समझा पाता। इसके लिए द्वितीय नियम आया, जिसके दो मुख्य कथन हैं:

• केल्विन-प्लांक का कथन (Kelvin-Planck Statement): ऐसा कोई भी ऊष्मा इंजन बनाना असंभव है जो एक चक्र में काम करते हुए किसी स्रोत से ली गई पूरी ऊष्मा को पूर्णतः कार्य में बदल दे, बिना किसी ऊष्मा का ह्रास किए (अर्थात् दक्षता वाला इंजन असंभव है)।
• क्लॉसियस का कथन (Clausius Statement): बिना किसी बाहरी कार्य के, ऊष्मा को ठंडी वस्तु (कम ताप) से गर्म वस्तु (उच्च ताप) की ओर प्रवाहित करना सर्वथा असंभव है (अर्थात् रेफ्रिजरेटर बिना बिजली के काम नहीं कर सकता)।

6. कार्नोट इंजन और रेफ्रिजरेटर (Carnot Engine & Refrigerator) ​

🚂 कार्नोट इंजन (Carnot Engine) ​

सॉदी कार्नोट ने एक आदर्श, काल्पनिक और उत्क्रमणीय (Reversible) इंजन की रूपरेखा दी जो अधिकतम संभव दक्षता (Efficiency) देता है। इसकी दक्षता केवल स्रोत () और सिंक () के परम तापमानों पर निर्भर करती है:

• 🚨 Exam Point: तापमान हमेशा केल्विन () में ही रखना है, सेल्सियस में रखने पर उत्तर गलत हो जाएगा। का मान हमेशा से कम (या से कम) होता है।

❄️ रेफ्रिजरेटर / ऊष्मा पंप (Refrigerator / Heat Pump) ​

यह ऊष्मा इंजन का ठीक उल्टा रूप है। यह सिंक (कम ताप ) से ऊष्मा उठाता है, बाहरी कार्य लेता है, और स्रोत (उच्च ताप ) को ऊष्मा फेंक देता है।

• कार्य गुणांक (Coefficient of Performance - या ):

💡 Exam Points & Tips-Tricks (NEET / JEE Special) ​

• 🚨 Slope of P-V Graph Trick: ग्राफ पर रुद्धोष्म वक्र (Adiabatic curve) की ढाल हमेशा समतापी वक्र (Isothermal curve) की तुलना में गुना अधिक तीव्र (खड़ी) होती है।
• Internal Energy is a State Function: आंतरिक ऊर्जा () एक अवस्था फलन है, यह इस बात पर निर्भर नहीं करती कि निकाय किस रास्ते से वहाँ पहुँचा। अतः किसी भी चक्रीय प्रक्रम (Cyclic Process) में कुल आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन हमेशा शून्य () होता है, जिससे हो जाता है।
• Mayer's Formula: (जहाँ और है)।

📝 अध्याय का सारांश (Conclusion) ​

ऊष्मागतिकी अध्याय हमें ब्रह्मांड की ऊर्जा और उसकी सीमाओं का सबसे व्यावहारिक सत्य समझाता है। शून्यवें नियम से तापमान की नींव रखने के बाद, प्रथम नियम हमें सिखाता है कि ऊष्मा और कार्य एक-दूसरे के पूरक हैं। वहीं, द्वितीय नियम और कार्नोट के सिद्धांत हमारी आँखों से यह भ्रम हटा देते हैं कि हम कोई भी संपूर्ण या कुशल मशीन बना सकते हैं। घर्षणहीन काल्पनिक दुनिया में भी प्रकृति सिंक को कुछ ऊष्मा दान करने का नियम अनिवार्य रखती है।