हर किसी के पास एक स्मृति होती है जब वे एक बच्चे थे और आइसक्रीम अप्रत्याशित रूप से पिघल गई थी (और अवांछित)। हो सकता है कि आप समुद्र तट पर थे, पिघली हुई आइसक्रीम की धाराओं को अपनी उंगलियों से नीचे रखने की कोशिश कर रहे थे, लेकिन फिर पूरा स्कूप रेत में गिर गया। हो सकता है कि आपने पॉप्सिकल को बहुत देर तक धूप में छोड़ दिया हो और मीठे पानी के चमकीले रंग के पोखर में वापस आ गए हों। आपका अनुभव जो भी हो, अधिकांश लोगों के पास कुछ न कुछ स्पष्ट स्मृति होती हैसॉलिड फ़ेज़में संक्रमणद्रव चरण, और उस परिवर्तन के परिणाम।
बेशक, भौतिकविदों के पास पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं के बीच इन चरण परिवर्तनों का वर्णन करने के लिए विशिष्ट भाषा है। यह आश्चर्य के रूप में नहीं आना चाहिए कि सामग्रियों के विभिन्न भौतिक गुण उनके व्यवहार को नियंत्रित करते हैं, जिसमें तापमान भी शामिल है जिस पर वे चरण परिवर्तन से गुजरते हैं। सीखना कि आप इन चरण परिवर्तनों में उपयोग की गई ऊर्जा की गणना कैसे करते हैं और प्रासंगिक भौतिक के बारे में थोड़ा सा बर्फ के पिघलने से लेकर अधिक असामान्य प्रक्रियाओं जैसे. तक सब कुछ समझने के लिए गुण महत्वपूर्ण हैं उच्च बनाने की क्रिया
पदार्थ के चरण
अधिकांश लोग पदार्थ के तीन मुख्य चरणों से परिचित हैं: ठोस, तरल और गैस। हालांकि, प्लाज्मा नामक पदार्थ की एक चौथी अवस्था भी होती है, जिसका संक्षेप में बाद में इस लेख में वर्णन किया जाएगा। ठोस समझने में सबसे आसान हैं; ठोस अवस्था में पदार्थ अपना आकार धारण करता है और एक उल्लेखनीय डिग्री तक संकुचित नहीं होता है।
एक उदाहरण के रूप में पानी का उपयोग करते हुए, बर्फ ठोस अवस्था है, और यह सहज रूप से स्पष्ट है कि बर्फ आपके सामने टूट जाएगी इसे एक छोटी मात्रा में संपीड़ित करने में सक्षम थे, और तब भी टूटी हुई बर्फ अभी भी वही लेगी मात्रा। आप एक संभावित प्रति-उदाहरण के रूप में स्पंज के बारे में भी सोच सकते हैं, लेकिन उस स्थिति में, जब आप इसे "संपीड़ित" करते हैं, तो आप वास्तव में बस अपनी प्राकृतिक अवस्था में मौजूद सभी वायु छिद्रों को हटा देना - वास्तविक ठोस पदार्थ नहीं मिलता है दबा हुआ।
तरल पदार्थ उस कंटेनर का आकार लेते हैं जिसमें वे होते हैं, लेकिन वे ठोस के समान ही असम्पीडित होते हैं। फिर, तरल पानी इसका एक आदर्श उदाहरण है क्योंकि यह बहुत परिचित है: आप पानी को किसी में भी डाल सकते हैं कंटेनर का आकार, लेकिन आप इसे प्राकृतिक रूप से कम मात्रा में लेने के लिए इसे भौतिक रूप से संपीड़ित नहीं कर सकते हैं राज्य दूसरी ओर, जल वाष्प जैसी गैसें उस कंटेनर के आकार को भर देती हैं जिसमें वे हैं, लेकिन उन्हें संपीड़ित किया जा सकता है।
प्रत्येक के व्यवहार को उसकी परमाणु संरचना द्वारा समझाया गया है। एक ठोस में, परमाणुओं की एक नियमित जाली व्यवस्था होती है, इसलिए यह एक क्रिस्टल संरचना या कम से कम एक अनाकार द्रव्यमान बनाता है क्योंकि परमाणु जगह में तय होते हैं। एक तरल में, अणु या परमाणु गति करने के लिए स्वतंत्र होते हैं लेकिन आंशिक रूप से हाइड्रोजन बंधन के माध्यम से जुड़े होते हैं, इसलिए यह स्वतंत्र रूप से बहता है लेकिन कुछ चिपचिपापन होता है। एक गैस में, अणु पूरी तरह से अलग हो जाते हैं, कोई अंतर-आणविक बल उन्हें एक साथ नहीं रखता है, यही कारण है कि एक गैस ठोस या तरल पदार्थ की तुलना में अधिक स्वतंत्र रूप से विस्तार और संपीड़ित कर सकती है।
फ्यूजन की अव्यक्त गर्मी
जब आप किसी ठोस में ऊष्मा मिलाते हैं, तो उसका तापमान तब तक बढ़ जाता है जब तक कि वह अपने गलनांक तक नहीं पहुँच जाता, जिस अवस्था में चीजें बदल जाती हैं। एक बार जब आप गलनांक पर होते हैं तो आपके द्वारा जोड़ी जाने वाली ऊष्मा ऊर्जा तापमान को नहीं बदलती है; यह ठोस चरण से तरल चरण में चरण संक्रमण के लिए ऊर्जा प्रदान करता है, जिसे आमतौर पर पिघलने कहा जाता है।
पिघलने की प्रक्रिया का वर्णन करने वाला समीकरण है:
क्यू = एमएल_एफ
कहा पेलीएफ सामग्री के लिए संलयन की गुप्त गर्मी है,मपदार्थ का द्रव्यमान है औरक्यूजोड़ा गया ताप है। जैसा कि समीकरण से पता चलता है, गुप्त ऊष्मा की इकाइयाँ ऊर्जा/द्रव्यमान, या जूल प्रति किग्रा, g या द्रव्यमान के अन्य माप हैं। संलयन की गुप्त ऊष्मा को कभी-कभी संलयन की एन्थैल्पी या कभी-कभी पिघलने की गुप्त ऊष्मा कहा जाता है।
किसी विशिष्ट पदार्थ के लिए - उदाहरण के लिए, यदि आप विशेष रूप से बर्फ के पिघलने को देख रहे हैं - एक विशिष्ट संक्रमण तापमान होता है जिस पर यह होता है। बर्फ को तरल पानी में पिघलाने के लिए, चरण संक्रमण तापमान 0 डिग्री सेल्सियस या 273.15 केल्विन होता है। आप कई सामान्य सामग्रियों के लिए संलयन की गुप्त ऊष्मा को ऑनलाइन देख सकते हैं (संसाधन देखें), लेकिन बर्फ के लिए यह 334 kJ/kg है।
वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा
पिघलने के लिए वही प्रक्रिया होती है जब आप किसी पदार्थ को वाष्पीकृत करते हैं, सिवाय इसके कि जिस तापमान पर चरण संक्रमण होता है वह पदार्थ का क्वथनांक होता है। उसी तरह, हालांकि, इस बिंदु पर आप पदार्थ को जो अतिरिक्त ऊर्जा देते हैं, वह चरण संक्रमण में जाती है, इस मामले में तरल चरण से गैस चरण तक। यहां इस्तेमाल किया गया शब्द वाष्पीकरण की गुप्त गर्मी (या वाष्पीकरण की थैलीपी) है, लेकिन अवधारणा बिल्कुल वैसी ही है जैसी संलयन की गुप्त गर्मी के लिए होती है।
समीकरण भी वही रूप लेता है:
क्यू = एमएल_वी
कहा पेलीवी यह समय वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा है (सामान्य सामग्रियों के लिए मूल्यों की तालिका के लिए संसाधन देखें)। फिर से, प्रत्येक पदार्थ के लिए एक विशिष्ट संक्रमण तापमान होता है, जिसमें तरल पानी 100 C या 373.15 केल्विन पर इस संक्रमण से गुजरता है। इसलिए यदि आप एक निश्चित द्रव्यमान को गर्म कर रहे हैंमकमरे के तापमान से क्वथनांक तक पानी की और फिर इसे वाष्पित करने के लिए दो चरण होते हैं गणना: इसे १०० C तक लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा, और फिर वाष्पीकरण के लिए आवश्यक ऊर्जा यह।
उच्च बनाने की क्रिया
यद्यपि ठोस से तरल (यानी, पिघलने) और तरल से गैस (वाष्पीकरण) में चरण संक्रमण सबसे अधिक सामना करना पड़ता है, फिर भी कई अन्य संक्रमण हो सकते हैं। विशेष रूप से,उच्च बनाने की क्रियाजब कोई पदार्थ ठोस अवस्था से सीधे गैसीय अवस्था में चरण संक्रमण से गुजरता है।
इस व्यवहार का सबसे प्रसिद्ध उदाहरण सूखी बर्फ में है, जो वास्तव में ठोस कार्बन डाइऑक्साइड है। कमरे के तापमान और वायुमंडलीय दबाव पर, यह सीधे कार्बन डाइऑक्साइड गैस में उच्चीकृत हो जाता है, और यह नाटकीय कोहरे के प्रभावों के लिए इसे एक सामान्य विकल्प बनाता है।
उच्च बनाने की क्रिया के विपरीत हैनिक्षेप, जहां एक गैस एक अवस्था से होकर सीधे एक ठोस में बदल जाती है। यह एक अन्य प्रकार का चरण संक्रमण है जिसकी चर्चा आमतौर पर कम होती है लेकिन फिर भी प्रकृति में होती है।
चरण संक्रमण पर दबाव के प्रभाव
उस तापमान पर दबाव का बड़ा प्रभाव पड़ता है जिस पर चरण संक्रमण होता है। उच्च दबाव पर, वाष्पीकरण बिंदु अधिक होता है, और यह कम दबाव में कम हो जाता है। यही कारण है कि जब आप ऊंचाई पर होते हैं तो पानी कम तापमान पर उबलता है, क्योंकि दबाव कम होता है और इसलिए क्वथनांक भी होता है। यह संबंध आमतौर पर एक चरण आरेख में प्रदर्शित किया जाता है, जिसमें तापमान और दबाव के लिए कुल्हाड़ियां होती हैं, और प्रश्न में पदार्थ के लिए ठोस, तरल और गैस चरणों को अलग करने वाली रेखाएं होती हैं।
यदि आप एक चरण आरेख को ध्यान से देखते हैं, तो आप देखेंगे कि एक विशिष्ट बिंदु है जिस पर पदार्थ सभी तीन प्रमुख चरणों (यानी, गैस, तरल और ठोस चरण) के चौराहे पर है। इसे कहा जाता हैतीन बिंदु, या पदार्थ के लिए महत्वपूर्ण बिंदु, और यह एक विशिष्ट महत्वपूर्ण तापमान और एक महत्वपूर्ण दबाव पर होता है।
प्लाज्मा
पदार्थ की चौथी अवस्था प्लाज्मा है। यह पदार्थ की अन्य अवस्थाओं से थोड़ा अलग है, क्योंकि यह तकनीकी रूप से एक गैस है जिसे आयनित किया गया है (यानी, इलेक्ट्रॉनों को हटा दिया गया था) इसलिए घटक परमाणुओं का शुद्ध विद्युत आवेश होता है), और इसलिए इसमें अन्य अवस्थाओं की तरह ही चरण संक्रमण नहीं होता है मामला।
हालांकि इसका व्यवहार एक विशिष्ट गैस से बहुत अलग है, क्योंकि इसे विद्युत रूप से "अर्ध-तटस्थ" माना जा सकता है (क्योंकि इसमें समान संख्या में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन होते हैंपूरा का पूराप्लाज्मा), केंद्रित चार्ज और परिणामी धाराओं के पॉकेट हैं। प्लाज़्मा भी विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं जिस तरह से एक सामान्य गैस नहीं होती।
एरेनफेस्ट वर्गीकरण Class
विभिन्न चरणों के बीच संक्रमण का वर्णन करने के सबसे प्रसिद्ध तरीकों में से एक है एरेनफेस्ट वर्गीकरण प्रणाली, जो संक्रमणों को पहले क्रम और दूसरे क्रम के चरण संक्रमणों में विभाजित करता है, और आधुनिक प्रणाली दृढ़ता से आधारित है यह। संक्रमण का "आदेश" थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा के निम्नतम क्रम व्युत्पन्न को संदर्भित करता है जो एक असंतुलन को दर्शाता है। उदाहरण के लिए, ठोस, तरल और गैसों के बीच संक्रमण पहले क्रम के चरण संक्रमण हैं क्योंकि गुप्त गर्मी मुक्त ऊर्जा व्युत्पन्न में एक असंतुलन पैदा करती है।
एक दूसरे क्रम के चरण संक्रमण में मुक्त ऊर्जा के दूसरे व्युत्पन्न में एक असंतुलन है, लेकिन प्रक्रिया में कोई गुप्त गर्मी शामिल नहीं है, इसलिए उन्हें निरंतर चरण माना जाता है संक्रमण। उदाहरणों में सुपरकंडक्टिविटी में संक्रमण (यानी वह बिंदु जिस पर कुछ सुपरकंडक्टर बन जाता है) और फेरोमैग्नेटिक चरण संक्रमण (जैसा कि आइसिंग मॉडल द्वारा वर्णित है) शामिल हैं।
लैंडौ सिद्धांत का उपयोग एक प्रणाली के व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जाता है, विशेष रूप से एक महत्वपूर्ण बिंदु के आसपास। सामान्यतया, चरण संक्रमण तापमान पर समरूपता टूटती है, और यह विशेष रूप से उपयोगी है तरल क्रिस्टल में संक्रमण का वर्णन, उच्च तापमान चरण के साथ कम तापमान की तुलना में अधिक समरूपता युक्त containing चरण।
चरण संक्रमण के उदाहरण: पिघलने वाली बर्फ
मान लें कि आपके पास 0 C पर 1 किलोग्राम बर्फ का ब्लॉक है, और आप बर्फ को पिघलाना चाहते हैं और तापमान को मानक कमरे के तापमान से थोड़ा अधिक 20 C तक बढ़ाना चाहते हैं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, इस तरह की किसी भी गणना के दो भाग हैं: आपको चरण की गणना करने की आवश्यकता है परिवर्तन करें और फिर निर्दिष्ट द्वारा तापमान बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना करने के लिए सामान्य दृष्टिकोण का उपयोग करें रकम।
जल बर्फ के लिए संलयन की गुप्त ऊष्मा ३३४ kJ/kg है, इसलिए पहले के समीकरण का उपयोग करते हुए:
\शुरू {गठबंधन} Q &= mL_f \\ &= 1 \text{kg} × 334 \text{ kJ/kg} \\ &= 334 \text{ kJ} \end{aligned}
तो बर्फ पिघलने, 1 किलो विशेष रूप से, 334 किलोजूल ऊर्जा लेता है। बेशक, यदि आप बड़ी या छोटी मात्रा में बर्फ के साथ काम कर रहे थे, तो 1 किलो को बस उचित मूल्य से बदल दिया जाएगा।
अब, जब इस ऊर्जा को बर्फ में स्थानांतरित कर दिया गया है, तो यह चरण बदल चुका होगालेकिन अअभी भी 0 C तापमान पर है। तापमान को 20 C तक बढ़ाने के लिए आपको कितनी गर्मी जोड़ने की आवश्यकता है, इसकी गणना करने के लिए, आपको बस पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता को देखने की आवश्यकता है (सी= 4,182 J/kg°C) और मानक व्यंजक का उपयोग करें:
क्यू = एमसी∆टी
जहांटीतापमान में परिवर्तन के लिए खड़ा है। हमारे पास मौजूद जानकारी के साथ काम करना आसान है: आवश्यक तापमान में परिवर्तन 20 सी है, इसलिए शेष प्रक्रिया केवल मूल्यों को सम्मिलित करना और गणना करना है:
\शुरू {गठबंधन} Q &= mC∆T \\ &= 1 \text{kg} × 4182 \text{ J / kg °C} × 20 \text{ °C} \\ &= 83,640 \text{ J} = ८३.६४ \पाठ{ kJ} \end{संरेखित}
इसलिए पूरी प्रक्रिया (यानी, बर्फ को पिघलाना और पानी को गर्म करना) की आवश्यकता है:
३३४ \पाठ{केजे} + ८३.६४ \पाठ{ केजे} = ४१७.६४ \पाठ{ केजे}
तो अधिकांश ऊर्जा हीटिंग के बजाय पिघलने की प्रक्रिया से आती है। ध्यान दें कि यह गणना केवल इसलिए काम करती है क्योंकि इकाइयाँ पूरे समय सुसंगत थीं - द्रव्यमान हमेशा किलो में था, और ऊर्जा को अंतिम जोड़ के लिए kJ में परिवर्तित किया गया था - और आपको a का प्रयास करने से पहले इसे हमेशा जांचना चाहिए गणना।
चरण संक्रमण के उदाहरण: तरल पानी का वाष्पीकरण
अब कल्पना कीजिए कि आप पिछले उदाहरण से 20 C पर 1 किलो पानी लेते हैं, और इसे जल वाष्प में बदलना चाहते हैं। आगे पढ़ने से पहले इस समस्या को हल करने का प्रयास करें, क्योंकि प्रक्रिया अनिवार्य रूप से पहले जैसी ही है। सबसे पहले, आपको पानी को क्वथनांक पर लाने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा की गणना करने की आवश्यकता है, और फिर आप आगे बढ़ सकते हैं और यह पता लगा सकते हैं कि पानी को वाष्पीकृत करने के लिए कितनी अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता है।
पहला चरण पिछले उदाहरण के दूसरे चरण की तरह ही है, अब को छोड़करटी= 80 C, क्योंकि तरल पानी का क्वथनांक 100 C होता है। तो उसी समीकरण का उपयोग करने से यह मिलता है:
\शुरू {गठबंधन} Q &= mC∆T \\ &= 1 \text{kg} × 4182 \text{ J / kg °C} × 80 \text{ °C} \\ &= 334,560 \text{ J} = ३३४.५६ \पाठ{ kJ} \end{संरेखित}
उस बिंदु से जहां इतनी अधिक ऊर्जा जोड़ी गई है, शेष ऊर्जा तरल के वाष्पीकरण में चली जाएगी, और आपको दूसरी अभिव्यक्ति का उपयोग करके इसकी गणना करने की आवश्यकता होगी। यह है:
क्यू = एमएल_वी
कहा पेलीवी = 2256 kJ/kg तरल पानी के लिए। यह देखते हुए कि इस उदाहरण में 1 किलो पानी है, आप गणना कर सकते हैं:
\शुरू {गठबंधन} Q &= 1 \पाठ{ किग्रा} × २२५६ \पाठ{ kJ/kg} \\ &= २२५६ \पाठ{ kJ} \end{संरेखित}
प्रक्रिया के दोनों भागों को एक साथ जोड़ने से आवश्यक कुल ऊष्मा प्राप्त होती है:
२२५६ \पाठ{ kJ} + ३३४.५६ \पाठ{ kJ} = २५९०.५६ \पाठ{ kJ}
फिर से ध्यान दें कि इस प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली ऊष्मीय ऊर्जा का विशाल बहुमत (जैसे कि बर्फ के पिघलने के साथ) चरण संक्रमण में है, न कि सामान्य ताप चरण।