अवस्था परिवर्तन क्रांतिक तापमान त्रिघाती बिंदु

अवस्था परिवर्तन, क्रांतिक तापमान, त्रिक बिंदु के बारे में लेख

आदर्श गैस नियम की चर्चा में यह बताया गया है कि आदर्श गैस नियम वास्तविक गैस के व्यवहार का सटीक वर्णन तभी करता है जब वास्तविक गैस का दाब और घनत्व बहुत अधिक न हो। यदि दाब और घनत्व पर्याप्त रूप से अधिक हों, तो आदर्श गैस नियम गलत परिणाम देता है, ठीक उसी प्रकार जब वास्तविक गैस का तापमान क्वथनांक के निकट पहुँच जाता है। यह वास्तविक गैस के अणुओं के बीच होने वाली अंतःक्रियाओं से संबंधित है। गैस का दाब गैस के आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है। जब गैस का दाब पर्याप्त रूप से अधिक होता है, तो गैस का आयतन कम हो जाता है। क्योंकि गैस का आयतन कम होता है, इसलिए गैस के अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है। जब अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है, तो अणु एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। यह वैसा ही है जैसे आप लोहे के एक टुकड़े को चुंबक पर रखते हैं। यदि चुंबक और लोहे के बीच की दूरी पर्याप्त अधिक हो, तो चुंबक लोहे को खींच नहीं सकता। लेकिन यदि चुंबक और लोहे के बीच की दूरी कम हो, तो लोहा चुंबक की ओर आकर्षित होता है।

गैस के अणु चुंबक की तरह व्यवहार करते हैं। जब अणुओं के बीच की दूरी काफी कम हो जाती है, तो वे एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। इस आकर्षण बल के कारण अणुओं के बीच की दूरी और कम हो जाती है (गैस का आयतन कम हो जाता है)। आमतौर पर, ऐसा तब होता है जब गैस का दाब काफी अधिक होता है (अधिक दाब पर आयतन कम होता है; कम आयतन पर अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है)। इसलिए, आदर्श गैस का नियम वास्तविक गैस के अधिक दाब और घनत्व होने पर सटीक परिणाम नहीं देता है।

दाब बनाम दाब आयतन का आरेख

ऊपर दी गई समस्या को बेहतर ढंग से समझने के लिए, आइए आरेख का अवलोकन करें, जो गैस के दाब और आयतन के बीच संबंध दर्शाता है। वक्र 1, 2, 3 और 4 अलग-अलग तापमानों पर एक ही गैस के व्यवहार को दर्शाते हैं। वक्र 1 में दर्शाया गया गैस का तापमान वक्र 2 से अधिक है। वक्र 2 में दर्शाया गया गैस का तापमान वक्र 3 से अधिक है। वक्र 3 में दर्शाया गया गैस का तापमान वक्र 4 से अधिक है। आरेख के मध्य में स्थित रेखा वक्र है। गैस का तापमान हमेशा स्थिर रहता है, जिससे केवल गैस का दाब (P) और आयतन (V) ही परिवर्तित होता है।

आदर्श गैस नियम के अनुसार, बिंदु संख्या 1 से शुरू होने वाली रेखा बिंदु संख्या 1 पर ही समाप्त होनी चाहिए। इसी प्रकार, बिंदु संख्या 2 से शुरू होने वाली रेखा बिंदु संख्या 2 पर ही रुकनी चाहिए। लेकिन वास्तविक गैस की स्थिति आदर्श गैस नियम के पूर्वानुमान से भिन्न होती है। जब गैस का दाब पर्याप्त अधिक होता है, तो गैस का आयतन कम हो जाता है और आदर्श गैस नियम के पूर्वानुमान से विचलित हो जाता है (वक्र 1 और 2 की तुलना करें)। गैस के आयतन में विचलन की मात्रा तापमान पर भी निर्भर करती है। यदि गैस का तापमान कम है और गलनांक, यानी क्वथनांक (बिंदु b) के निकट है, तो आमतौर पर तापमान अधिक होने की तुलना में आयतन में अधिक विचलन होता है (वक्र 1, 2, 3 और 4 की तुलना करें)। यह विचलन गैस के अणुओं के बीच आकर्षण बल के कारण होता है, जैसा कि पहले बताया गया है।

ऊपर दिए गए चित्र में वक्र 3 किसी पदार्थ के क्रांतिक तापमान पर उसके व्यवहार को दर्शाता है। वक्र 3 द्वारा पार किया गया बिंदु c क्रांतिक बिंदु कहलाता है। क्रांतिक तापमान से अधिक तापमान पर, गैस द्रव रूप में परिवर्तित नहीं हो सकती, भले ही उस पर पर्याप्त दबाव डाला जाए (वक्र 2 और वक्र 1 से तुलना करें)। दबाव डालने से केवल गैस का आयतन कम होता है, लेकिन गैस द्रव में परिवर्तित नहीं होती। इसके विपरीत, क्रांतिक तापमान से कम तापमान पर, गैस पर निरपेक्ष दबाव डालने पर वह द्रव में परिवर्तित हो जाती है (वक्र 3 से तुलना करें)। क्रांतिक तापमान पर गैस को द्रव में परिवर्तित करने वाले दबाव की मात्रा क्रांतिक दबाव कहलाती है। प्रत्येक पदार्थ का क्रांतिक तापमान और क्रांतिक दबाव भिन्न-भिन्न होता है।

ऊपर दिए गए चित्र में वक्र 4 गैस से द्रव में परिवर्तन की प्रक्रिया को दर्शाता है। छायांकित क्षेत्र (पहाड़ के समान) वह क्षेत्र है जहाँ गैस और द्रव संतुलन में हैं। प्रारंभ में, गैस का आयतन अधिक होता है। गैस का दाब बढ़ने के बाद, गैस का आयतन तब तक कम होता जाता है जब तक वह बिंदु b तक नहीं पहुँच जाता (बिंदु b गलनांक है, जिसे क्वथनांक भी कहते हैं)। बिंदु b पर पहुँचने पर, गैस द्रव में परिवर्तित होने लगती है। गैस से द्रव में परिवर्तन की प्रक्रिया के दौरान (बिंदु b से बिंदु a तक), दाब में कोई वृद्धि न होने के बावजूद पदार्थ का आयतन कम होता जाता है (जिसे एक सीधी रेखा से दर्शाया गया है)। बिंदु a पर, सभी गैसें द्रव में परिवर्तित हो जाती हैं। बिंदु a पर पहुँचने के बाद, पदार्थ पर दाब लगाने से आयतन में बहुत कम परिवर्तन होता है (जिसे एक बहुत तीव्र वक्र से दर्शाया गया है)।

रोजमर्रा की जिंदगी में हम अक्सर भाप और गैस शब्दों का इस्तेमाल करते हैं। उदाहरण के लिए, जल वाष्प या नाइट्रोजन गैस। हम जल वाष्प को शायद ही कभी जल गैस कहते हैं, जबकि जल वाष्प पानी से बनी गैस ही होती है। इसी तरह नाइट्रोजन, ऑक्सीजन आदि के साथ भी है। नाइट्रोजन या ऑक्सीजन को आमतौर पर गैस ही कहा जाता है। गैस और भाप के अर्थ अलग-अलग होते हैं। यदि किसी पदार्थ से निकलने वाली गैस उस पदार्थ के क्रांतिक तापमान से कम तापमान पर हो, तो उसे भाप कहते हैं। इसके विपरीत, यदि किसी पदार्थ से निकलने वाली गैस उस पदार्थ के क्रांतिक तापमान से अधिक तापमान पर हो, तो उसे गैस कहते हैं।

दाब बनाम तापमान का आरेख (चरण आरेख)

पहले दाब बनाम आयतन आरेख का उपयोग करके पदार्थों के व्यवहार का वर्णन किया गया था। PV आरेख के अलावा, दाब (P) बनाम तापमान (T) आरेख का उपयोग करके भी पदार्थों के व्यवहार को समझाया जा सकता है। PT आरेखों को आमतौर पर प्रावस्था आरेख कहा जाता है। इसे प्रावस्था आरेख इसलिए कहा जाता है क्योंकि इस आरेख का उपयोग किसी पदार्थ की विभिन्न प्रावस्थाओं की तुलना करने के लिए किया जाता है। जल उन पदार्थों में से एक है जो अक्सर अपनी प्रावस्था बदलता है।

आरेख में तीन वक्र हैं, अर्थात् वाष्पीकरण वक्र, गलनांक वक्र और ऊर्ध्वपातन वक्र।

वाष्पीकरण वक्र उन बिंदुओं को दर्शाता है जहाँ द्रव और वाष्प संतुलन में होते हैं। जिस बिंदु पर द्रव और वाष्प संतुलन में होते हैं, उसे गलनांक या क्वथनांक कहते हैं (इसे गलनांक इसलिए कहते हैं क्योंकि इस बिंदु पर भाप पिघलकर पानी में बदल सकती है। इसे क्वथनांक इसलिए कहते हैं क्योंकि इस बिंदु पर पानी उबलकर भाप में बदल सकता है)। इस प्रकार, वाष्पीकरण वक्र वास्तव में एक ग्राफ है जो दाब (P) और क्वथनांक/गलनांक के बीच संबंध को दर्शाता है। ऐसा प्रतीत होता है कि दाब जितना कम होगा, पानी का क्वथनांक उतना ही कम होगा, और दाब जितना अधिक होगा, पानी का क्वथनांक उतना ही अधिक होगा। 1 परमाणु दाब पर पानी का क्वथनांक 100 ^° C होता है। इसके विपरीत, 218 परमाणु दाब पर पानी का क्वथनांक 374 ^° C होता है।

^{218 atm दाब को जल का क्रांतिक दाब कहा जाता है, जबकि 374 °} C तापमान को जल का क्रांतिक तापमान कहा जाता है। यदि वाष्प का तापमान 374 ^{° C से कम है, तो 374 °} C के दाब पर भाप द्रव अवस्था में परिवर्तित हो सकती है। 218 ^° C से अधिक तापमान पर दाब भाप को द्रव में परिवर्तित नहीं कर सकता।

गलनांक वक्र उन बिंदुओं को दर्शाता है जहाँ द्रव और ठोस संतुलन में होते हैं। जिस बिंदु पर द्रव और ठोस संतुलन में होते हैं, उसे गलनांक या हिमांक कहा जाता है (इसे गलनांक इसलिए कहा जाता है क्योंकि इस बिंदु पर बर्फ पिघलकर पानी बन सकती है। इसे हिमांक इसलिए कहा जाता है क्योंकि इस बिंदु पर पानी जम कर बर्फ बन सकता है)। इस प्रकार, गलनांक वक्र एक ग्राफ है जो दाब (P) और गलनांक या हिमांक तापमान के बीच संबंध को दर्शाता है। 1 atm के दाब पर, पानी का हिमांक (या बर्फ का गलनांक) = 0 ^° C होता है। इसके विपरीत, 218 atm के दाब पर, पानी का हिमांक (या बर्फ का गलनांक) 0 ^° C से कम होता है। ध्यान दें कि 1 atm के दाब पर, पानी द्रव अवस्था में होता है यदि तापमान 0°C और 100 ^° C के बीच हो। पानी ठोस अवस्था में होता है यदि 1 atm के दाब पर तापमान 0 ^° C से कम हो, या पानी भाप अवस्था में होता है यदि 1 atm के दाब पर तापमान 100 ^° C से अधिक हो।

ऊर्ध्वपातन वक्र उन बिंदुओं को दर्शाता है जहाँ ठोस और वाष्प संतुलन में होते हैं। संतुलन बिंदु को ऊर्ध्वपातन बिंदु कहते हैं। ऊर्ध्वपातन वक्र एक ग्राफ है जो दाब (P) और ऊर्ध्वपातन बिंदु के तापमान के बीच संबंध दर्शाता है। ऊर्ध्वपातन वह प्रक्रिया है जिसमें ठोस द्रव अवस्था से गुजरे बिना भाप में परिवर्तित हो जाता है। आमतौर पर, ऊर्ध्वपातन केवल कम दाब पर होता है। बर्फ का ऊर्ध्वपातन तभी हो सकता है जब तापमान 0.01°C से कम हो। ^oC और दाब 0.006 atm से कम है। वह बिंदु जहाँ तीनों वक्र एक दूसरे को काटते हैं, उसे त्रिक बिंदु कहते हैं।

नीचे कार्बन डाइऑक्साइड का चरण आरेख दिया गया है। ध्यान दें कि जल और कार्बन डाइऑक्साइड के चरण आरेख का पैमाना रैखिक नहीं है।