Kinetic Theory & Thermodynamics
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अणुगति सिद्धान्त एवं ऊष्मागतिकी

डॉ. आर के अग्रवाल

डॉ. गरिमा जैन

डॉ. रेखा शर्मा

प्रकाशक : कृष्णा प्रकाशन मीडिया प्रकाशित वर्ष : 2018
पृष्ठ :266
मुखपृष्ठ : पेपरबैक
पुस्तक क्रमांक : 2508
आईएसबीएन :0

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यू० पी० यूनिफाइड पाठ्यक्रमानुसार बी.एस.सी. भौतिक विज्ञान प्रथम वर्ष के विद्यार्थियों के लिए पाठ्य पुस्तक

यू० पी० यूनिफाइड पाठ्यक्रमानुसार बी.एस.सी. भौतिक विज्ञान प्रथम वर्ष के विद्यार्थियों के लिए सर्वोत्तम उपयोगी पुस्तक

विषय सूची Contents

Unit-1
पदार्थ का अणुगति सिद्धान्त
Kinetic Theory of Matter  ...01-64

1.1 पदार्थों का अणुगति सिद्धान्त Kinetic Theory of Matter …3.
1.2 गैसों का अणुगति सिद्धान्त Kinetic Theory of Gases …5
1.3 अणुगति सिद्धान्त के आधार पर गैसों के नियम Deduction of Gas Laws from Kinetic Theory …9
1.3.1 बॉयल का नियम Boyle's Law …9
1.3.2 चार्ल्स का नियम Charles’s Law …9
1.3.3 आवोगाद्रो का नियम Avogadro's Law …9
1.3.4 आंशिक दाब का डाल्टन का नियम Dalton's Law of Partial Pressures …10
1.3.5 ग्राहम का विसरण का नियम Graham's Law of Diffusion …10
1.4 अणुगति सिद्धान्त के आधार पर ताप की व्याख्या Interpretation of Temperature on the Basis of Kinetic Theory …11
1.5 अणुओं की वर्ग-माध्य मूल चाल Root Mean Square Speed of Molecules …13
1.5.1 अणुभार तथा वर्ग-माध्य मूल-चाल में सम्बन्ध Relation between Root Mean Square Speed and Molecular Weight ... 14
1.6 ब्राउनियन गति Brownian motion …19
1.6.1 आवोगाद्रो संख्या का परिकलन Estimation of Avogadro's number…19
1.7 कण या निकाय की स्वातन्त्रय कोटि Degrees of Freedom of a Particle or System …21
1.8 ऊर्जा का समविभाजन नियम Law of Equipartition of Energy …22
1.9 गैसों की विशिष्ट ऊष्मा Specific Heat of Gases …24
1.9.1 गैस की दो विशिष्ट ऊष्माएँ Two Specific Heats of a Gas …24
1.9.2 Cp तथा Cv में अन्तर का व्यंजक Expressions for Difference in Cp and Cv …24
1.10 आदर्श गैस की विशिष्ट ऊष्माओं की निष्पत्ति Ratio of Specific Heats of an Ideal Gas …25
1.11 एकपरमाणुक, द्विपरमाणुक व त्रिपरमाणुक गैसों के लिए Cp, Cv व इनकी निष्पत्ति का मान Cp, Cv and its Ratio for Mono-atomic, Di-atomic and Tri-atomic Gases …26
1.12 निम्न तापमान पर गैसों की विशिष्ट ऊष्मा का व्यवहार Behaviour of Specific Heat of Gases at Low Temperature …27
1.13. आदर्श गैस का रूद्धोष्म प्रसार Adiabatic Expansion of an Ideal Gas …28
1.14 वायुमण्डलीय भौतिकी पर अणुगति सिद्धान्त के अनुप्रयोग Applications to Atmospheric Physics …30
1.15 वास्तविक गैस के लिए वान डर वाल्स समीकरण Vander Wall's Equation of State for Real Gas ... 31
1.15.1 अणुओं के परिमित आकार के लिए संशोधन Correction for the Finite Size of Molecules …31
1.15.2 अन्तरा आणविक आकर्षण के लिए संशोधन Correction for Intermolecular Attraction …31
1.15.3 वान डर वाल्स बल की प्रकृति Nature of Vander Wall's Forces …32
1.15.4 वान डर वाल्स समीकरण का प्रायोगिक. वक्रों एन्ड्यू वक्र से तुलना Comparison of Vander Waal's Equation with Experimental p-V Curves …32
1.15.5 वान डर वाल्स समीकरण की कमियाँ Drawbacks of Vander Waal's Equation …33
1.16 गैस के क्रान्तिक नियतांक Critical Constants of a Gas …34
1.16.1 क्रान्तिक ताप Critical Temperature ...34
1.16.2 क्रान्तिक दाब Critical Pressure ...34
1.16.3 क्रान्तिक आयतन Critical Volume ...34
1.16.4 a' व 'b' के पदों में क्रान्तिक नियतांक Critical Constants in Terms of 'a' and 'b' ...34
1.16.5 क्रान्तिक नियतांक के पदों में वान डर वाल्स नियतांक a’ b’ Constants 'a' and 'b' in Terms of Critical Constants ...36
1.16.6 गैस तथा वाष्प में अन्तर Difference between a Gas and Vapour ...36
1.17 जूल का नियम Joule's Law ...38
1.18 जूल के मुक्त प्रसार का प्रयोग Joule’s Free Expansion Experiment ...38
1.19 जूल थॉमसन कैल्विन प्रभाव Joule-Thomson Kelvin Effect  ...39
1.19.1 सरन्ध्र डाट प्रयाग Porous Plug Experiment ...40
1.19.2 परिणाम Results ...40
1.19.3 परिणामों की व्याख्या Explanation of Results ...41
1.20 आदर्श गैस के लिए जूल थॉमसन कैल्चिन प्रभाव Joule Thomson Kelvin Effect for an Ideal Gas ...42
1.21 वान डर वाल्स गैस के लिए जूल थॉमसन प्रभाव Joule Thomson Effect in a Vander Waal's Gas ...44
1.22 क्रान्तिक ताप व व्युत्क्रमण ताप में सम्बन्ध Relation Between Critical Temperature and Temperature of Inversion ...46
विविध उदाहरण Miscellaneous Problems 49
प्रश्नावली Exercise ...58  
उत्तर Answers ...63

Unit-II
गैसों का द्रवीकरण व गैसों में अभिगमन घटना
Liquefaction of Gases and Transport Phenomena in Gases ...65-96

2.1 गैसों का द्रवीकरण Liquefaction of Gases ...67
2.2 बॉयल तापमान Boyle Temperature ...68
2.2.1 व्युत्क्रमण तापमान Inversion Temperature ...69
2.2.2 क्रान्तिक तापमान व व्युत्क्रमण तापमान में सम्बन्ध Relation between Temperature of Inversion and Critical Temperature ...69
2.3 पुनर्योजी शीतलन का सिद्धान्त Principle of Regenerative Cooling ...69
2.3.1 क्रमवार शीतलन का सिद्धान्त Principle of Cascade Cooling ...69
2.4 हाइड्रोजन गैस को द्रवित करने का सिद्धान्त Principle of liquefaction of Hydrogen Gas ...70
2.5 हीलियम का द्रवीकरण Liquefaction of Helium ...71
2.6 रेफ्रिजरेशन चक्र Refrigeration Cycle ...72
2.7 दक्षता Efficiency ...73
2.8 आणविक संघट्ट Molecular Collision ...74
2.8.1 माध्य मुक्त पथ Mean Free Path ...74
2.8.2 संघट्ट अनुप्रस्थ परिच्छेद Collision Cross-section ...74
2.9 माध्य मक्त पथ के लिए व्यंजक Expression for Mean Free Path ...75
2.9.1 माध्य मुक्त पथ का ताप व दाब के साथ परिवर्तन Variation of Mean Free Path with Temperature and Pressure ...75
2.10 गैसों में अभिगमन घटनाएँ Transport Phenomena in Gases ...77
2.11 द्रव्यमान का अभिगमन Transport of Mass ...78
2.12 संवेग का अभिगमन Transport of Momentum ...81
2.13 ऊर्जा का अभिगमन Transport of Energy ...84
2.13.1 गैस की श्यानता व ऊष्मीय चालकता में सम्बन्ध Relation between thermal conductivity and viscosity of a gas ...85
2.13.2 विसरण गुंणाक व गैस की श्यानता में सम्बन्ध Relation between Diffusion Constant and Viscosity ...86
विविध उदाहरण Miscellaneous Problems ...87
प्रश्नावली Exercise ...91
उत्तर Answers ...95

Unit-III
ऊष्मागतिकी
Thermodynamics ...97-224

3.1 स्थूलीय व सूक्ष्म निकाय Macroscopic and Microscopic System ...99
3.1.1 स्थूल व सूक्ष्म गुणों में सम्बन्ध Relation between Macroscopic and Microscopic Properties ...100
3.2 तापमान Temperature ...100
3.3 तापीय साम्यावस्था Thermal Equilibrium ...100
3.4 ऊष्मागतिकी का शून्य नियम Zeroth Law of Thermodynamics ...100.
3.5 ऊष्मागतिक निकाय Thermo dynamical System ...101
3.5.1 ऊष्मागतिक साम्यावस्था Thermo dynamical Equilibrium
3.5.2 अर्द्ध-स्थैतिक प्रक्रम Quasi-static Process ...101
3.6 p,V या सूचक आरेख p-V or Indicator Diagrams ...101
3.6.1 ऊष्मागतिक प्रक्रम Thermodynamic Processes ...102
3.6.2 समतापीय प्रक्रम में कार्य Work done During an Isothermal Process ...102
3.6.3 रूद्धोष्म प्रक्रम में काय Work done during an Adiabatic Process ...103
3.7 किये गये कार्य की प्रारम्भिक व अन्तिम स्थितिओं के बीच पथ पर निर्भरता Dependency of Work done on the Path between Initial and Final Positions ...107
3.8 ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम First Law of Thermodynamics ...108
3.8.1 ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की भौतिक महत्ता Physical Significance of First Law of Thermodynamics...108
3.8.2 ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुप्रयोग Applications of the First Law of Thermodynamics ...109
3.9 निकाय की आन्तरिक ऊर्जा Internal Energy of a System ...113
3.10 उत्क्रमणीय प्रक्रम Reversible Process ...113
3.10.1 उत्क्रमणीय प्रक्रम के उदाहरण Examples of Reversible Process...113
3.10.2 उत्क्रमणीय प्रक्रम अथवा इजन के लिए आवश्यक प्रतिबन्ध Necessary Condition for Reversible Process/Engine ...114
3.11 अनुत्क्रमणीय प्रक्रम Irreversible Process...114
3.12 कार्नो चक्र व कार्नो इंजन Carnot's Cycle and Carnot Engine...114
3.12.1 कार्नो इंजन की दक्षता Efficiency of Carnot's Engine ...116
3.12.2 स्रोत व सिंक के ताप T1, व T2 के पदों में इंजन की दक्षता Efficiency of Engine in Terms of Temperature of the Source T1, and sink T2 K...117
3.13 कार्नो प्रमेय Carnot's Theorem ...119
3.14 ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम Second Law of Thermodynamics...121 3.14.1 कैल्विन व क्लॉसियस के कथनों की तुल्यता Equivalence of Kelvin and Clausius Statement...122
3.15 अर्न्तदहन इंजन Internal Combustion Engine...123
3.16 ऐन्ट्रॉपी Entropy...125
3.16.1 भौतिक महत्ता Physical Significance...126
3.17 उत्क्रमणीय प्रक्रम में ऐन्ट्रापी में परिवर्तन Change of Entropy in a Reversible Process...127
3.18 अनुत्क्रमणीय प्रक्रम में ऐन्ट्रॉपी में परिवर्तन Change of Entropy in an Irreversible Process...128
3.19 ऐन्ट्रॉपी में वृद्धि का सिद्धान्त Principle of Increase of Entropy...128
3.20 आदर्श गैस की ऐन्ट्रॉपी इसके दाब, आयतन व विशिष्ट ऊष्मा के पदों में Entropy of a Perfect Gas in Terms of its Pressure, Volume and Specific Heat...130
3.21 ऊष्मागतिक या परम या कैल्विन ताप पैमाना Absolute or Kelvin's or Thermo dynamical Scale of Temperature...132
3.21.1 परम शून्य Absolute Zero...134
3.22 ऊष्मागतिक ताप पैमाना व आदर्श गैस पैमाने में समानता Thermodynamic Scale Identical with the Perfect Gas Scale...134
3.23 परम पैमाने को व्यवहारिक रूप से प्राप्त करना Practical Realization of Absolute Scale...136
3.23.1 परम पैमाने पर परम शून्य व ऋणात्मक ताप की प्राप्ति असम्भव Impossibility of Attaining the Absolute Zero and Negative Temperature on Absolute Scale ...136
3.24 ऊष्मागतिकी का तृतीय नियम Third Law of Thermodynamics...136
3.25 वृहद व सघन चर राशियाँ Extensive and Intensive Variables...137
3.26 मैक्सवेल का व्यापक ऊष्मागतिक सम्बन्ध Maxwell's General Thermodynamic Relation...137
3.27 किसी तरल के समतापीय संपीडन में ऊष्मा का स्थानान्तरण Heat Transfer in Isothermal Compression of a Fluid...140
3.28 वान डर वाल्स गैस के समतापीय प्रसार में ऊष्मा का स्थानान्तरण Heat Transfer in Isothermal Expansion in Vander Waal's Gas...141
3.29 तरल के रूद्धोष्मीय संपीडन में ताप में परिवर्तन Temperature Change in Adiabatic Compression of a Fluid...141
3.30 आदर्श गैस के लिए जूल का नियम Joule's Law for a Perfect Gas...142
3.31 वान डर वाल्स गैस में जूल मुक्त प्रसार के कारण शीतलन Cooling due to Joule Free Expansion in Vander Waal's Gas...142
3.32 जूल थॉमसन प्रभाव Joule-Thomson Effect...143
3.32.1 जूल थॉमसन गुणांक Joule Thomson Coefficient...143
3.32.2 आदर्श गैस के लिए जूल थॉमसन गुणांक Joule Thomson Coefficient for a Perfect Gas...145
3.32.3 वानडर वाल्स गैस के लिए जूल थॉमसन गुणांक Joule Thomson Coefficient for a Vander Waal's Gas...145
3.33 क्लॉसियस-क्लैपेरान ऊष्मा समीकरण Clausius-Clapeyron Heat Equation...146
3.33.1 ठोसों के गलनांक पर दाब का प्रभाव Effect of Pressure on Melting Point of Solids...148
3.33.2 द्रवों के क्वथनांक पर दाब का प्रभाव Effect of Pressure on Boiling Point of Liquids...148
3.34 संतृप्त वाष्प की विशिष्ट ऊष्मा Specific Heat of Saturated Vapour...151 3.34.1 क्लॉसियस की द्वितीय गुप्त ऊष्मा समीकरण Clausius Second Latent Heat Equation...151
3.34.2 संतृप्त जल वाष्य की विशिष्ट ऊष्मा Specific Heat of Saturated Water Vapour...152
3.34.3 संतृप्त जल वाष्प की ऋणात्मक विशिष्ट ऊष्मा की व्याख्या Explanation of the Negative Specific Heat of Saturated Water Vapour...153
3.35 ऊष्मागतिक विभव फलन Thermodynamic Potentials Functions ...154
3.35.1 आन्तरिक ऊर्जा Internal Energy [U]...154
3.35.2 हेल्मोहल्टज विभव फलन Helmholtz Function [F]...155
3.35.3 एन्थैल्पी या कुल ऊष्मा विभव फलन Enthalpy or Total Heat Content Function [H]...156
3.35.4 गिब्स विभव फलन Gibb's Potential [G] ...157
3.35.5 ऊष्मागतिक विभवों की महत्ता Importance of Thermodynamic Potentials...158
3.36 ऊष्मागतिक विभव U आन्तरिक ऊर्जा तथा F मुक्त ऊर्जा Thermodynamic Potential Internal Energy and F Free Energy ...158
3.36.1 गिब्स हेल्मोहल्टज समीकरण Gibb’s Helmholtz Equation...159
3.36.2 महत्ता Importance...159
3.37 रूद्धोष्म विचुम्बकन के कारण शीतलन Cooling due to Adiabatic Demagnetization...161
3.37.1 रूद्धोष्म शीतलन के लिए व्यंजक Expression for the Adiabatic Cooling...160
3.38 अति निम्न ताप उत्पन्न करने का सिद्धान्त Principle of Production of Very Low Temperature...163
3.38.1 ताप का मापन Measurement of Temperatures...164
विविध उदाहरण Miscellaneous Problems...165
प्रश्नावली Exercise...185
उत्तर Answers...196

Unit-IV
कृष्णिका विकिरण
Black Body Radiations ... 225-252

4.1 कृष्णिका Black Body ...228
4.2 विकिरण ऊर्जा की केवल ताप पर निर्भरता Pure Temperature Dependence of Radiation Energy...228
4.3 विकिरण दाब Pressure of Radiation...229
4.31 जब विकिरण विसरित हो अर्थात् विकिरण सभी सम्भव दिशाओं में हों...230
4.4 स्टीफन-बोल्टजमैन नियम Stefan-Boltzman Law...230
4.4.1 स्टीफन के नियम की ऊष्मागतिक उत्पत्ति Thermodynamic Proof of Stefan's Law ...231
4.5 कृष्णिका विकिरण का स्पेक्ट्रल वितरण Spectral Distribution of Black Body Radiation ...235
4.5.1 वीन का विस्थापन नियम Wien's Displacement Law...236
4.5.2 रैले व जींस नियम Rayleigh and Jeans Law...237
4.5.3 प्लांक का नियम Planck's Law...238
4.6 प्लांक की क्वांटम संकल्पना Planck's Quantum Hypothesis...239
4.6.1 प्लांक के अभिगृहीत Planck's Postulates...239
4.6.2 प्लांक दोलित्र की माध्य ऊर्जा Average Energy of Planck's Oscillator...239
4.6.3 प्लांक का विकिरण सूत्र Planck's Radiation Formula...240
4.6.4 वीन नियम तथा रैले-जींस नियम, प्लांक नियम की ही विशेष अवस्थायें हैं Wien's Law and Rayleigh-Jeans Law are Special Case of Planck's Law ...241
विविध उदाहरण Miscellaneous Problems...241
प्रश्नावली Exercise...246
उत्तर Answers...250

विनामूल्य पूर्वावलोकन

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