चरण (पदार्थ)
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भौतिक विज्ञान , एक चरण अंतरिक्ष का क्षेत्र (थर्मोडायनामिक प्रणाली) है, जिसके दौरान किसी सामग्री के सभी भौतिक गुण अनिवार्य रूप से एक समान होते हैं।[1][2]: 86 [3]: 3 भौतिक गुणों के उदाहरणों में घनत्व, अपवर्तक सूचकांक, चुंबकीयकरण और रासायनिक संरचना सम्मलित हैं। एक साधारण विवरण यह है, कि एक भौतिक अवस्था वह क्षेत्र है , जो रासायनिक रूप से समान, शारीरिक रूप से अलग और यांत्रिक रूप से वियोज्य है। एक कांच के जार में बर्फ और पानी से युक्त एक प्रणाली में, बर्फ के टुकड़े एक अवस्था में होते हैं, पानी एक दूसरे चरण में होता है, और आर्द्र हवा बर्फ और पानी के ऊपर एक तीसरा चरण होता है। जार का गिलास का एक अलग चरण होता है। (देखो वस्तुस्थिति § काँच)
चरण शब्द का प्रयोग कभी-कभी पदार्थ की अवस्था के पर्याय के रूप में किया जाता है, लेकिन पदार्थ की एक ही अवस्था के कई अमिश्रणीय चरण हो सकते हैं। साथ ही, शब्द चरण का उपयोग कभी-कभी एक चरण आरेख पर चरण सीमा द्वारा दबाव और तापमान जैसे राज्य चर के संदर्भ में सीमांकित साम्यावस्था के एक सेट को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। चूंकि चरण सीमाएं पदार्थ के संगठन में परिवर्तन से संबंधित हैं, जैसे तरल से ठोस में परिवर्तन या एक क्रिस्टल संरचना से दूसरे में अधिक सूक्ष्म परिवर्तन, यह बाद का "चरण" उपयोग द्रव्य की अवस्था के समानार्थी होता है। हालांकि, पदार्थ और चरण आरेख उपयोग की स्थिति ऊपर दी गई जो की औपचारिक परिभाषा के अनुरूप नहीं है, और जिस संदर्भ में शब्द का उपयोग किया जाता है, उसके संदर्भ में इच्छित अर्थ निर्धारित किया जाना चाहिए।
चरणों के प्रकार
विशिष्ट चरणों को गैस, तरल, ठोस, प्लाज्मा या बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट जैसे पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं के रूप में वर्णित किया जा सकता है। ठोस और तरल रूप के बीच उपयोगी मध्य प्रावस्था पदार्थ की अन्य अवस्थाएँ हैं।
पदार्थ की दी गई अवस्था के भीतर अलग-अलग चरण भी मौजूद हो सकते हैं।जैसा कि लोहे की मिश्र धातुओं के लिए आरेख में दिखाया गया है, ठोस और तरल दोनों अवस्थाओं के लिए कई चरण मौजूद हैं।ध्रुवीय (हाइड्रोफिलिक) या गैर-ध्रुवीय (हाइड्रोफोबिक) के रूप में घुलनशीलता के आधार पर चरणों को भी विभेदित किया जा सकता है। पानी (एक ध्रुवीय तरल) और तेल (एक गैर-ध्रुवीय तरल) का मिश्रण अनायास दो चरणों में अलग हो जाएगा। पानी में तेल में बहुत कम घुलनशीलता (अघुलनशील) होती है, और तेल में पानी में कम घुलनशीलता होती है। घुलनशीलता एक विलेय की अधिकतम मात्रा है जो विलेय के घुलने से पहले एक विलायक में घुल सकती है और एक अलग चरण में रहती है। एक मिश्रण दो से अधिक तरल चरणों में अलग हो सकता है और चरण पृथक्करण की अवधारणा ठोस पदार्थों तक फैली हुई है, यानी ठोस ठोस समाधान बना सकते हैं या अलग-अलग क्रिस्टल चरणों में क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं। धातु के जोड़े जो परस्पर घुलनशील होते हैं, मिश्र धातु बना सकते हैं, जबकि धातु के जोड़े जो परस्पर अघुलनशील नहीं होते हैं।
जितने मल्टीफेसिक द्रव देखे गए हैं।[lower-alpha 1] पारस्परिक रूप से अमिश्रणीय तरल चरण पानी (जलीय चरण), हाइड्रोफोबिक कार्बनिक सॉल्वैंट्स, पेरफ्लोरोकार्बन (ऑर्गोफ्लोरीन रसायन # फ्लोरस चरण), सिलिकोन, कई अलग-अलग धातुओं और पिघले हुए फास्फोरस से भी बनते हैं। सभी कार्बनिक सॉल्वैंट्स पूरी तरह से मिश्रणीय नहीं हैं, उदा। इथाइलीन ग्लाइकॉल और टोल्यूनि का मिश्रण दो अलग-अलग कार्बनिक चरणों में अलग हो सकता है।[lower-alpha 2]
चरणों को मैक्रोस्कोपिक रूप से अनायास अलग करने की आवश्यकता नहीं है। पायसन और कोलाइड्स अमिश्रणीय चरण जोड़ी संयोजनों के उदाहरण हैं जो शारीरिक रूप से अलग नहीं होते हैं।
चरण संतुलन
संतुलन के लिए छोड़ दिया गया, कई रचनाएँ एक समान एकल चरण का निर्माण करेंगी, लेकिन तापमान और दबाव के आधार पर एक भी पदार्थ दो या अधिक अलग-अलग चरणों में अलग हो सकता है। प्रत्येक चरण के भीतर, गुण समान होते हैं लेकिन दो चरणों के बीच गुण भिन्न होते हैं।
एक बंद जार में पानी जिसके ऊपर एक हवा का स्थान होता है, दो-चरण प्रणाली बनाता है। अधिकांश पानी तरल अवस्था में होता है, जहाँ यह पानी के अणुओं के पारस्परिक आकर्षण द्वारा धारण किया जाता है। संतुलन पर भी अणु निरंतर गति में रहते हैं और, कभी-कभी, तरल चरण में एक अणु तरल चरण से अलग होने और गैस चरण में प्रवेश करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है। इसी तरह, समय-समय पर एक वाष्प अणु तरल सतह से टकराता है और तरल में संघनित होता है। संतुलन पर, वाष्पीकरण और संघनन प्रक्रिया पूरी तरह से संतुलित होती है और किसी भी चरण की मात्रा में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है।
कमरे के तापमान और दबाव पर, पानी का जार संतुलन तक पहुँच जाता है जब पानी के ऊपर की हवा में लगभग 3% की आर्द्रता होती है। तापमान बढ़ने पर यह प्रतिशत बढ़ता है। 100 °C और वायुमंडलीय दबाव पर, संतुलन तब तक नहीं पहुँचता जब तक कि हवा 100% पानी न हो। यदि तरल को 100 °C से थोड़ा अधिक गर्म किया जाता है, तो तरल से गैस में परिवर्तन न केवल सतह पर बल्कि पूरे तरल आयतन में होगा: पानी उबलता है।
चरणों की संख्या
किसी दिए गए संघटन के लिए, दिए गए तापमान और दबाव पर केवल कुछ चरण ही संभव हैं। बनने वाले चरणों की संख्या और प्रकार की भविष्यवाणी करना कठिन है और आमतौर पर प्रयोग द्वारा निर्धारित किया जाता है। ऐसे प्रयोगों के परिणाम चरण आरेखों में प्लॉट किए जा सकते हैं।
यहाँ दिखाया गया चरण आरेख एकल घटक प्रणाली के लिए है। इस सरल प्रणाली में, जो चरण संभव हैं, वे केवल दबाव और तापमान पर निर्भर करते हैं। अंकन बिंदु दिखाते हैं जहां संतुलन में दो या दो से अधिक चरण सह-अस्तित्व में हो सकते हैं। चिह्नों से दूर तापमान और दबावों पर, संतुलन में केवल एक चरण होगा।
आरेख में, तरल और गैस के बीच की सीमा को चिह्नित करने वाली नीली रेखा अनिश्चित काल तक जारी नहीं रहती है, लेकिन एक बिंदु पर समाप्त होती है जिसे महत्वपूर्ण बिंदु (थर्मोडायनामिक्स) कहा जाता है। जैसे-जैसे तापमान और दबाव महत्वपूर्ण बिंदु पर पहुंचते हैं, तरल और गैस के गुण उत्तरोत्तर अधिक समान होते जाते हैं। महत्वपूर्ण बिंदु पर, तरल और गैस अप्रभेद्य हो जाते हैं। महत्वपूर्ण बिंदु से ऊपर, अब अलग-अलग तरल और गैस चरण नहीं हैं: केवल एक सामान्य द्रव चरण है जिसे सुपर तरल कहा जाता है। पानी में, महत्वपूर्ण बिंदु लगभग 647 केल्विन (374 °C या 705 °F) और 22.064 पास्कल (दबाव) पर होता है।
जल चरण आरेख की एक असामान्य विशेषता यह है कि ठोस-तरल चरण रेखा (बिंदीदार हरी रेखा द्वारा सचित्र) में नकारात्मक ढलान है। अधिकांश पदार्थों के लिए, ढलान सकारात्मक है जैसा कि गहरे हरे रंग की रेखा द्वारा उदाहरण दिया गया है। पानी की यह असामान्य विशेषता तरल पानी की तुलना में कम घनत्व वाली बर्फ से संबंधित है। दबाव बढ़ाने से पानी उच्च घनत्व वाले चरण में चला जाता है, जो पिघलने का कारण बनता है।
चरण आरेख की एक और दिलचस्प हालांकि असामान्य विशेषता नहीं है, वह बिंदु है जहां ठोस-तरल चरण रेखा तरल-गैस चरण रेखा से मिलती है। चौराहे को ट्रिपल पॉइंट कहा जाता है। त्रिगुण बिंदु पर, तीनों चरण सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।
प्रयोगात्मक रूप से, तापमान और दबाव की अन्योन्याश्रितता के कारण चरण रेखाएँ अपेक्षाकृत आसान होती हैं, जो कई चरणों के बनने पर विकसित होती हैं। गिब्स का चरण नियम देखें। पिस्टन से लैस एक बंद और अच्छी तरह से इन्सुलेटेड सिलेंडर से युक्त एक परीक्षण उपकरण पर विचार करें। तापमान और दबाव को नियंत्रित करके, सिस्टम को चरण आरेख पर किसी भी बिंदु पर लाया जा सकता है। ठोस स्थिरता क्षेत्र (आरेख के बाईं ओर) में एक बिंदु से, सिस्टम का तापमान बढ़ने से यह उस क्षेत्र में आ जाएगा जहां एक तरल या गैस संतुलन चरण (दबाव के आधार पर) है। यदि पिस्टन धीरे-धीरे कम हो जाता है, तो सिस्टम चरण आरेख के गैस क्षेत्र के भीतर बढ़ते तापमान और दबाव की वक्र का पता लगाएगा। उस बिंदु पर जहां गैस तरल में संघनित होने लगती है, तापमान और दबाव वक्र की दिशा चरण रेखा के साथ अचानक बदल जाएगी जब तक कि सारा पानी संघनित न हो जाए।
इंटरफेशियल घटना
संतुलन में दो चरणों के बीच एक संकीर्ण क्षेत्र होता है जहां गुण किसी भी चरण के नहीं होते हैं। हालांकि यह क्षेत्र बहुत पतला हो सकता है, इसके महत्वपूर्ण और आसानी से देखे जा सकने वाले प्रभाव हो सकते हैं, जैसे कि किसी तरल के कारण सतही तनाव प्रदर्शित होता है। मिश्रण में, कुछ घटक अधिमानतः इंटरफ़ेस (मामला)पदार्थ) की ओर बढ़ सकते हैं। किसी विशेष प्रणाली के व्यवहार को मॉडलिंग, वर्णन या समझने के संदर्भ में, इंटरफेसियल क्षेत्र को एक अलग चरण के रूप में व्यवहार करना प्रभावशाली हो सकता है।
क्रिस्टल चरण
एक सामग्री में अलग-अलग चरण बनाने में सक्षम कई अलग-अलग ठोस राज्य हो सकते हैं। पानी ऐसी सामग्री का एक प्रसिद्ध उदाहरण है। उदाहरण के लिए, पानी की बर्फ आमतौर पर हेक्सागोनल रूप में बर्फ I बर्फ I में पाई जाती हैh, लेकिन क्यूबिक आइस आइस |आइस I के रूप में भी मौजूद हो सकता हैc, rhombohedral क्रिस्टल सिस्टम आइस II, और कई अन्य रूप। बहुरूपता (पदार्थ विज्ञान) एक ठोस की एक से अधिक क्रिस्टल रूप में मौजूद रहने की क्षमता है। शुद्ध रासायनिक तत्वों के लिए, बहुरूपता को अपररूपता के रूप में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, हीरा, सीसा और फुलरीन कार्बन के विभिन्न अपरूप हैं।
चरण संक्रमण
जब कोई पदार्थ एक चरण संक्रमण (पदार्थ की एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तन) से गुजरता है तो यह सामान्यतः या तो ऊर्जा ग्रहण करता है या छोड़ता है। उदाहरण के लिए, उदाहरण के लिए, जब पानी वाष्पित होता है, गतिज ऊर्जा में वृद्धि के रूप में वाष्पीकरण करने वाले अणु तरल की आकर्षक शक्तियों से बच जाते हैं, तापमान में कमी परिलक्षित होती है। चरण संक्रमण को प्रेरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा पानी की आंतरिक तापीय ऊर्जा से ली जाती है, जो तरल को कम तापमान तक ठंडा करती है; इसलिए वाष्पीकरण शीतलन के लिए उपयोगी होती है। वाष्पीकरण की तापीय धारिता देखें। विपरीत प्रक्रिया, संक्षेपण, गर्मी जारी करता है,और ठोस से तरल संक्रमण से जुड़ी ऊष्मा ऊर्जा, या तापीय धारिता, संलयन की तापीय धारिता है और जो ठोस से गैस संक्रमण से जुड़ी होती है, वह ऊर्ध्वपातन की तापीय धारिता है।
संतुलन से बाहर चरण
जबकि पदार्थ के चरणों को परंपरागत रूप से थर्मल संतुलन में प्रणालियों के लिए परिभाषित किया गया है, क्वांटम कई-निकाय स्थानीयकरण, कई-निकाय स्थानीयकृत (एमबीएल) प्रणालियों द्वारा संतुलन से बाहर चरणों को परिभाषित करने के लिए एक ढांचा प्रदान किया जाता है। एमबीएल चरण कभी भी थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंचते हैं, और स्थानीयकरण संरक्षित क्वांटम ऑर्डर नामक एक घटना के माध्यम से संतुलन में अस्वीकृत आदेश के नए रूपों की अनुमति दे सकते हैं। विभिन्न एमबीएल चरणों के बीच संक्रमण तथा एमबीएल और थर्मलाइजिंग चरणों के बीच नविन गतिशील चरण संक्रमण होते हैं जिनके गुण अनुसंधान क्षेत्र में सक्रिय होते हैं।
टिप्पणियाँ
- ↑ One such system is, from the top: mineral oil, silicone oil, water, aniline, perfluoro(dimethylcyclohexane), white phosphorus, gallium, and mercury. The system remains indefinitely separated at 45 °C, where gallium and phosphorus are in the molten state. From Reichardt, C. (2006). Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. pp. 9–10. ISBN 978-3-527-60567-5.
- ↑ This phenomenon can be used to help with catalyst recycling in Heck vinylation. See Bhanage, B.M.; et al. (1998). "Comparison of activity and selectivity of various metal-TPPTS complex catalysts in ethylene glycol — toluene biphasic Heck vinylation reactions of iodobenzene". Tetrahedron Letters. 39 (51): 9509–9512. doi:10.1016/S0040-4039(98)02225-4.
संदर्भ
- ↑ Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). ऊष्मप्रवैगिकी और इसके अनुप्रयोग. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 978-0-13-914861-3.
- ↑ Enrico Fermi (25 April 2012). ऊष्मप्रवैगिकी. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-13485-7.
- ↑ Clement John Adkins (14 July 1983). संतुलन थर्मोडायनामिक्स. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-27456-2.
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- ठोस उपाय
- बहुपरत तरल
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- बर्फ द्वितीय
- बहुरूपता (सामग्री विज्ञान)
- rhombohedral क्रिस्टल प्रणाली
- उच्च बनाने की क्रिया की तापीय धारिता
बाहरी कड़ियाँ
- French physicists find a solution that reversibly solidifies with a rise in temperature – α-cyclodextrin, water, and 4-methylpyridine
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