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पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन

ठोस, तरल और गैस नाम से पदार्थ की तीन अवस्थाएँ / चरण होते हैं। तापमान और दबाव की विभिन्न स्थितियों में तीनों चरणों में एक ही पदार्थ मौजूद हो सकता है। उदाहरण के लिए, 0°C पर बर्फ (ठोस) को गर्म करने पर 0°C पर पानी (तरल) हो जाता है, जो आगे गर्म करने पर 100°C पर भाप (गैस) में बदल जाता है। इस प्रकार एक वायुमण्डलीय दाब पर जल तीनों अवस्थाओं में भिन्न-भिन्न तापों पर पाया जाता है।

स्थिर तापमान पर एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तन की प्रक्रिया को चरण परिवर्तन कहा जाता है। इसे उष्मा के आदान-प्रदान के कारण लाया जाता है।
ठोस से द्रव अवस्था में परिवर्तन को गलन कहते हैं, जबकि द्रव से ठोस अवस्था में परिवर्तन को हिमीकरण कहते हैं। तरल से वाष्प में परिवर्तन को वाष्पीकरण के रूप में जाना जाता है, जबकि गैस से तरल में रिवर्स परिवर्तन को संघनन (या द्रवीकरण) कहा जाता है। ठोस से वाष्प में सीधे परिवर्तन को उच्च बनाने की क्रिया कहा जाता है और वाष्प से ठोस में विपरीत परिवर्तन को निक्षेपण कहा जाता है।

मेल्टिंग और फ्रीजिंग

स्थिर ताप पर ऊष्मा के अवशोषण द्वारा ठोस से द्रव अवस्था में परिवर्तन को गलन कहते हैं। स्थिर ताप जिस पर कोई ठोस द्रव में परिवर्तित होता है , ठोस का गलनांक कहलाता है। एक स्थिर तापमान पर ऊष्मा की मुक्ति के साथ तरल से ठोस चरण में रिवर्स परिवर्तन को हिमांक कहा जाता है और जिस तापमान पर एक तरल जम कर ठोस हो जाता है उसे उसका हिमांक कहा जाता है। ऊष्मा ऊर्जा पिघलने के दौरान अवशोषित होती है और स्थिर तापमान पर जमने के दौरान इसे खारिज कर दिया जाता है।

पिघलने के दौरान बर्फ का ताप वक्र

ऊपर दिए गए ग्राफ़ को देखें। पूरी बर्फ के पिघलने तक बर्फ का तापमान भाग AB में 0°C के बराबर स्थिर रहता है। इस दौरान दी गई गर्मी का इस्तेमाल बर्फ को पिघलाने में किया जाता है। इसके बाद बर्फ के पिघलने से बनने वाले पानी का तापमान 0 डिग्री सेल्सियस (ईसा पूर्व भाग) से बढ़ना शुरू हो जाता है।

वाष्पीकरण या उबालना

स्थिर तापमान पर ऊष्मा के अवशोषण पर तरल से गैस (या वाष्प) चरण में परिवर्तन को वाष्पीकरण कहा जाता है। जिस विशेष तापमान पर वाष्पीकरण होता है उसे तरल का क्वथनांक कहा जाता है। इसी प्रकार स्थिर ताप पर ऊष्मा के मुक्त होने पर वाष्प से द्रव अवस्था में परिवर्तन संघनन कहलाता है और जिस विशेष ताप पर संघनन होता है उसे वाष्प का संघनन बिन्दु कहते हैं।
ऊष्मा ऊर्जा वाष्पीकरण के दौरान एक स्थिर तापमान पर अवशोषित होती है, जबकि पदार्थ के समान द्रव्यमान के लिए उस तापमान पर संघनन के दौरान समान मात्रा में ऊष्मा ऊर्जा मुक्त होती है।

पानी का ताप वक्र

बिंदु A पर, पानी कमरे के तापमान (20°C) पर है और फिर ऊष्मा ऊर्जा के अवशोषण के साथ, पानी का तापमान उस भाग AB में लगातार बढ़ता जाता है जहाँ यह तरल अवस्था में होता है। बिंदु B पर उबलना शुरू हो जाता है और भाग BC में तापमान और नहीं बढ़ता है, ऊष्मा ऊर्जा लगातार अवशोषित होती है और पानी के क्वथनांक के रूप में B होने के कारण पानी के क्वथनांक का प्रतिनिधित्व करती है।

दाल पकाते समय हम नमक क्यों डालते हैं? यह इस तथ्य पर आधारित है कि अशुद्धियाँ मिलाने से पानी का क्वथनांक बढ़ जाता है। हम दाल पकाते समय नमक डालते हैं, इस प्रकार पानी उबलने से पहले उसकी सामग्री को पर्याप्त ऊष्मा ऊर्जा प्रदान करता है और इसलिए खाना पकाना आसान और तेज़ हो जाता है। मैदानों की तुलना में पहाड़ों पर खाना बनने में अधिक समय क्यों लगता है? यह इस तथ्य पर आधारित है कि दबाव में कमी के साथ क्वथनांक घटता है। उच्च ऊंचाई पर जैसे पहाड़ियों या पहाड़ों पर, वायुमंडलीय दबाव कम होता है, इसलिए इन स्थानों पर पानी 100 डिग्री सेल्सियस से कम तापमान पर उबलता है और इसलिए यह खाना पकाने के लिए इसकी सामग्री को आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा प्रदान नहीं करता है। इसलिए ऐसी जगहों पर खाना पकाने में ज्यादा समय लगता है।

गुप्त ऊष्मा और विशिष्ट गुप्त ऊष्मा

किसी पदार्थ के चरण परिवर्तन के दौरान जो स्थिर तापमान पर होता है, काफी मात्रा में ऊष्मा ऊर्जा अवशोषित या मुक्त होती है।   चूंकि चरण परिवर्तन में अवशोषित या मुक्त ऊष्मा ऊर्जा तापमान में किसी भी वृद्धि या गिरावट से बाहरी रूप से प्रकट नहीं होती है, इसे गुप्त ऊष्मा कहा जाता है।
गुप्त ऊष्मा, जब किसी पदार्थ के एक इकाई द्रव्यमान के लिए व्यक्त की जाती है, विशिष्ट गुप्त ऊष्मा कहलाती है और इसे प्रतीक L द्वारा निरूपित किया जाता है।

विशिष्ट गुप्त ऊष्मा की SI इकाई J kg ^-1 है, अन्य सामान्य इकाइयाँ cal g ^-1 हैं।
1 कैल जी ^-1 = 4.2 × 10 ³ जे किलो ^-1

संलयन की ऊष्मा ऊष्मीय ऊर्जा है जिसे एक निश्चित द्रव्यमान या द्रव की मात्रा को ठोस बनाने के लिए निकाला जाना चाहिए या एक निश्चित द्रव्यमान या ठोस मात्रा को पिघलाने के लिए जोड़ा जाना चाहिए। इसे संगलन की गुप्त ऊष्मा भी कहते हैं। वाष्पीकरण की गुप्त उष्मा वह उष्मा है जिसका सेवन या निर्वहन तब किया जाता है जब पदार्थ विघटित हो जाता है, एक स्थिर तापमान पर द्रव से गैस अवस्था में बदल जाता है।
बर्फ के संलयन की विशिष्ट गुप्त ऊष्मा वह ऊष्मा ऊर्जा है जो तापमान में बिना किसी परिवर्तन के 0 °C पर बर्फ की एक इकाई द्रव्यमान को 0 °C पर पानी में पिघलाने के लिए आवश्यक होती है। बर्फ के जमने की विशिष्ट गुप्त उष्मा वह उष्मा ऊर्जा है जो मुक्त/मुक्त होती है जब 0 °C पर पानी का एक इकाई द्रव्यमान तापमान में किसी भी परिवर्तन के बिना 0 °C पर बर्फ में जम जाता है। बर्फ के लिए, संलयन की विशिष्ट गुप्त गर्मी 336000 जे किलो ^-1 है, जिसका अर्थ है कि 0 डिग्री सेल्सियस पर 1 किलो बर्फ 336000 जे गर्मी ऊर्जा को 0 डिग्री सेल्सियस पर पानी में परिवर्तित करने के लिए अवशोषित करता है। वाष्पीकरण के लिए, यह उष्मा की मात्रा (540 कैलोरी जी ^-1 ) है जो 1 ग्राम पानी से 1 ग्राम पानी के धुएं में बदलने की उम्मीद है। 1 ग्राम पानी के धूआं से 1 ग्राम पानी के निर्माण के दौरान चरण चाल में गर्मी का एक समान माप जारी किया जाता है।

गतिज मॉडल के आधार पर गलन की गुप्त ऊष्मा की व्याख्या
गतिज मॉडल के अनुसार, ठोस में अणु अपनी औसत स्थिति के बारे में कंपन करते हैं। एक अणु की कुल ऊर्जा उसकी गति और उसकी संभावित ऊर्जा (जो अणुओं के बीच आकर्षण बल और उनके बीच अलगाव पर निर्भर करती है) के कारण गतिज ऊर्जा (जो तापमान पर निर्भर करती है) का योग है। जब तापमान में बदलाव के बिना ठोस तरल में बदल जाता है, तो अणुओं का औसत गतिज नहीं बदलता है, लेकिन अणुओं के बीच अलगाव बढ़ जाता है। अणुओं के बीच आकर्षक बलों के विरुद्ध अलगाव को बढ़ाने के लिए कुछ ऊर्जा की आवश्यकता होती है (अर्थात अणुओं की स्थितिज ऊर्जा में वृद्धि के लिए)। इस प्रकार पिघलने के दौरान आपूर्ति की गई ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग केवल अणुओं की संभावित ऊर्जा को बढ़ाने में किया जाता है और इसे पिघलने की गुप्त ऊष्मा कहा जाता है।

उदाहरण

• पहाड़ों पर बर्फ एक बार में पूरी तरह नहीं पिघलती है: इसका कारण यह है कि बर्फ में संलयन की उच्च विशिष्ट गुप्त ऊष्मा (336000 J किग्रा ^-1 ) होती है। यह धीरे-धीरे पानी में बदल जाता है क्योंकि यह सूर्य से ऊष्मा ऊर्जा प्राप्त करता है। यदि गुप्त ताप कम होता तो सूर्य की गर्मी मिलने पर थोड़ी ही देर में सारी बर्फ पिघल जाती और नदियों में बाढ़ आ जाती।
• ठंडे देशों में झीलों और तालाबों का पानी एक साथ नहीं जमता है: इसका कारण यह है कि बर्फ के संलयन की विशिष्ट गुप्त ऊष्मा पर्याप्त रूप से अधिक होती है, जिसके कारण झीलों और तालाबों के पानी को बड़ी मात्रा में ऊष्मा मुक्त करनी पड़ती है। ठंड से पहले आसपास। पानी की सतह पर बनी बर्फ की परत गर्मी की कुचालक होने के कारण झील के पानी से गर्मी के नुकसान को भी रोकेगी इसलिए यह एक बार में जमता नहीं है।
• 0 डिग्री सेल्सियस पर बर्फ के ठंडे पानी की तुलना में बर्फ का एक टुकड़ा डालने से पेय अधिक जल्दी ठंडा हो जाता है: इसका कारण यह है कि 0 डिग्री सेल्सियस पर 1 ग्राम बर्फ पेय से 336 जे ऊष्मा ऊर्जा को 0 डिग्री पर पानी में पिघलाने के लिए लेता है। सी। यह पेय 0 डिग्री सेल्सियस पर 1 ग्राम बर्फ के ठंडे पानी की तुलना में 0 डिग्री सेल्सियस पर 1 ग्राम बर्फ के लिए अतिरिक्त 336 जे ताप ऊर्जा मुक्त करता है।

• पसीना ठंडा होने का कारण बनता है: पसीना एक जीवन रक्षक शारीरिक कार्य है जो आपके शरीर के तापमान को नियंत्रित करने में मदद करता है। जब मौसम गर्म होता है या व्यायाम या बुखार के कारण आपके शरीर का तापमान बढ़ जाता है, तो आपकी त्वचा में नलिकाओं के माध्यम से पसीना निकलता है। इसमें 90% पानी होता है। आपके शरीर पर मौजूद पसीने की बूंदें तरल से वाष्प में चरण संक्रमण के लिए शरीर की गर्मी का उपयोग करती हैं। इसका परिणाम शीतलन प्रभाव होता है जो शरीर के तापमान को बनाए रखने में मदद करता है और शरीर को ठंडा करता है।
• बर्तन का ढक्कन खोलते समय हमेशा सावधान रहें जब उसमें पानी उबल रहा हो: पानी में वाष्पीकरण की एक बड़ी विशिष्ट गुप्त ऊष्मा होती है। जब भाप आपके हाथ की त्वचा पर संघनित होती है, तो बहुत अधिक मात्रा में गुप्त ऊष्मा निकलती है, जिससे गंभीर जलन होती है।

प्रश्न 1: 10 किलो बर्फ को पिघलाने के लिए कितनी ऊष्मा ऊर्जा की आवश्यकता होती है? (बर्फ की विशिष्ट गुप्त ऊष्मा = 336 J g ^-1 )
हल: m = 10 किग्रा, L = 336 J g ^-1
ऊष्मा ऊर्जा की आवश्यकता = एमएल = 10000 × 336 = 3360000 जे

प्रश्न 2: 40°C पर 250 ग्राम पानी में बर्फ मिलाने से उसका तापमान 0°C तक कम हो जाता है। जोड़े गए बर्फ का द्रव्यमान ज्ञात कीजिए। (विशिष्ट गुप्त ऊष्मा बर्फ 336 J g ^-1 है और पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता 4.2 J g ^-1 K ^-1 है)
हल: जल द्वारा खोई गई ऊष्मा ऊर्जा = बर्फ द्वारा प्राप्त ऊष्मा ऊर्जा
तापमान में गिरावट 40 - 0 = 40 °C है।
पानी द्वारा ऊष्मा की हानि = m⋅c⋅Δt = 250 × 4.2 × 40 = 42000 J
बर्फ द्वारा प्राप्त ऊष्मा = 42000 = बर्फ का द्रव्यमान × 336 ⇒ बर्फ का द्रव्यमान = 42000 ∕ 336 = 125 ग्राम

प्रश्न 3: 10125J ऊष्मा ऊर्जा 4.5 ग्राम पानी को 100°c पर उबालकर 100°c पर भाप बनाती है, SI इकाइयों में भाप की गुप्त ऊष्मा ज्ञात कीजिए।
हल: भाप की गुप्त ऊष्मा L = 10125 J ∕ (4.5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg