phase rule in chemistry CO₂ तंत्र में प्रावस्था नियम का अनुप्रयोग और जल तंत्र से भिन्नताएँ

प्रावस्था नियम (Phase Rule) विलार्ड गिब्स (Willard Gibbs) द्वारा प्रतिपादित किया गया एक महत्वपूर्ण नियम है, जो किसी भौतिक प्रणाली की विभिन्न अवस्थाओं में स्वतंत्रता की कोटियों (Degrees of Freedom) की संख्या को निर्धारित करने में सहायता करता है। इस नियम का उपयोग बहु-अवस्था प्रणालियों का अध्ययन करने में किया जाता है।

प्रावस्था नियम का सूत्र:

$F = C – P + 2$F=C−P+2

जहाँ,

• 
  $F$ 

  $F$ = स्वतंत्रता की कोटियों की संख्या (Degrees of Freedom)

• 
  $C$ 

  $C$ = घटकों की संख्या (Number of Components)

• 
  $P$ 

  $P$ = प्रावस्थाओं की संख्या (Number of Phases)

स्वतंत्रता की कोटियाँ (Degrees of Freedom)

स्वतंत्रता की कोटियाँ उन चरांकों (Variables) की संख्या को दर्शाती हैं, जिन्हें बिना दूसरी अवस्थाओं पर प्रभाव डाले बदला जा सकता है। यह तापमान, दाब और संघटन जैसे चरांकों पर निर्भर करता है।

घटक (Components)

घटक वे स्वतंत्र रासायनिक पदार्थ हैं, जिनसे एक प्रावस्था प्रणाली बनती है। उदाहरण के लिए, पानी (H₂O) एक घटक है।

प्रावस्था (Phases)

प्रावस्था भौतिक अवस्था को दर्शाती है जिसमें पदार्थ विद्यमान होता है, जैसे ठोस, तरल और गैस।

प्रावस्था नियम का उपयोग

1. एक घटक और एक प्रावस्था (Single Component, Single Phase):
   $F = 1 – 1 + 2 = 2$ 

   $F=1-1+2=2$ उदाहरण: शुद्ध पानी की तरल अवस्था। इसमें तापमान और दाब दोनों को स्वतंत्र रूप से बदला जा सकता है।

2. एक घटक और दो प्रावस्थाएँ (Single Component, Two Phases):
   $F = 1 – 2 + 2 = 1$ 

   $F=1-2+2=1$ उदाहरण: पानी और बर्फ का सहअस्तित्व। इसमें केवल एक चरांक (तापमान या दाब) को बदला जा सकता है, दूसरा स्वतः निर्धारित हो जाएगा।

3. दो घटक और एक प्रावस्था (Two Components, Single Phase):
   $F = 2 – 1 + 2 = 3$ 

   $F=2-1+2=3$ उदाहरण: नमक-पानी का घोल। इसमें तापमान, दाब और संघटन तीनों को बदला जा सकता है।

4. दो घटक और दो प्रावस्थाएँ (Two Components, Two Phases):
   $F = 2 – 2 + 2 = 2$ 

   $F=2-2+2=2$ उदाहरण: नमक-पानी का संतृप्त घोल। इसमें तापमान और दाब दोनों को स्वतंत्र रूप से बदला जा सकता है।

प्रावस्था नियम का महत्व

• यह भौतिक रसायन में विभिन्न प्रावस्था प्रणालियों का विश्लेषण करने के लिए उपयोगी है।
• यह औद्योगिक प्रक्रियाओं में सही तापमान और दाब की गणना करने में मदद करता है।
• मिश्रणों और समाधान (Solutions) की स्थिरता और संतुलन (Equilibrium) को समझने में सहायता करता है।

सारांश

प्रावस्था नियम भौतिक रसायन का एक महत्वपूर्ण सिद्धांत है जो यह बताता है कि किसी प्रणाली में कितनी स्वतंत्रता की कोटियाँ हो सकती हैं। यह विभिन्न चरांकों को संतुलित करने और समझने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है, खासकर तब जब विभिन्न प्रावस्थाओं और घटकों का मिश्रण हो।

CO₂ तंत्र पर प्रावस्था नियम का अनुप्रयोग

CO₂ तंत्र पर प्रावस्था नियम का उपयोग:

CO₂ (कार्बन डाइऑक्साइड) तंत्र में, CO₂ तीन प्रावस्थाओं में मौजूद हो सकता है: ठोस (सूखी बर्फ), तरल और गैस। प्रावस्था नियम का उपयोग करके हम यह समझ सकते हैं कि इस तंत्र में विभिन्न प्रावस्थाओं के बीच संतुलन की स्थिति कैसे होती है और कितनी स्वतंत्रता की कोटियाँ (Degrees of Freedom) मौजूद हैं।

एक घटक और तीन प्रावस्थाएँ (Single Component, Three Phases)

जब CO₂ ठोस, तरल और गैस तीनों प्रावस्थाओं में एक साथ मौजूद होता है, तो प्रावस्था नियम लागू होता है:

 

$F = C – P + 2$F=C−P+2

जहाँ,

• 
  $C$ 

  $C$ = 1 (CO₂)

• 
  $P$ 

  $P$ = 3 (ठोस, तरल, गैस)

तो,

 

$F = 1 – 3 + 2 = 0$F=1−3+2=0

इसका मतलब है कि जब तीनों प्रावस्थाएँ एक साथ संतुलन में होती हैं, तो स्वतंत्रता की कोई कोटि नहीं होती। तापमान और दाब दोनों निश्चित होते हैं और इन्हें बदला नहीं जा सकता।

एक घटक और दो प्रावस्थाएँ (Single Component, Two Phases)

जब CO₂ केवल दो प्रावस्थाओं (जैसे ठोस और गैस, या तरल और गैस) में मौजूद होता है, तो:

 

$F = 1 – 2 + 2 = 1$F=1−2+2=1

इसका मतलब है कि एक चरांक (तापमान या दाब) को बदला जा सकता है जबकि दूसरा स्वतः निर्धारित हो जाएगा।

एक घटक और एक प्रावस्था (Single Component, Single Phase)

जब CO₂ केवल एक प्रावस्था (जैसे केवल गैस) में मौजूद होता है, तो:

 

$F = 1 – 1 + 2 = 2$F=1−1+2=2

इसका मतलब है कि दोनों चरांक (तापमान और दाब) स्वतंत्र रूप से बदले जा सकते हैं।

CO₂ तंत्र और जल तंत्र में भिन्नताएँ

CO₂ तंत्र और जल तंत्र (H₂O) में कई महत्वपूर्ण भिन्नताएँ हैं:

1. प्रावस्था परिवर्तन के तापमान और दाब:
   • CO₂ का ठोस से गैस में परिवर्तन (सबलिमेशन) -78.5°C पर होता है, जबकि H₂O का ठोस से तरल में परिवर्तन (गलन) 0°C पर और तरल से गैस में परिवर्तन (वाष्पीकरण) 100°C पर होता है (सामान्य वायुमंडलीय दाब पर)।
   • CO₂ का त्रिक बिन्दु (Triple Point) 5.1 atm और -56.7°C पर होता है, जबकि H₂O का त्रिक बिन्दु 0.006 atm और 0.01°C पर होता है।
2. प्रावस्था का सहअस्तित्व:
   • CO₂ के ठोस, तरल और गैस प्रावस्थाएँ एक ही समय पर सहअस्तित्व में रह सकती हैं, लेकिन यह बहुत सीमित परिस्थितियों में होता है।
   • H₂O के ठोस, तरल और गैस प्रावस्थाएँ अधिक सामान्य परिस्थितियों में सहअस्तित्व में रह सकती हैं (जैसे बर्फ, पानी और वाष्प का एक साथ होना)।
3. सबलिमेशन और वाष्पीकरण:
   • CO₂ आसानी से ठोस से सीधे गैस में परिवर्तित हो जाता है (सबलिमेशन) क्योंकि सामान्य दाब पर इसका तरल रूप नहीं होता।
   • H₂O ठोस से तरल और फिर गैस में परिवर्तित होता है, और इसका तरल रूप अधिक स्थिर होता है।
4. प्रावस्था संतुलन:
   • CO₂ का प्रावस्था संतुलन अधिक दाब और कम तापमान पर होता है।
   • H₂O का प्रावस्था संतुलन सामान्य दाब और विभिन्न तापमानों पर होता है।
5. उपयोग:
   • CO₂ का उपयोग शीतल पेयों में, अग्निशमन यंत्रों में और औद्योगिक शीतलन में होता है।
   • H₂O का उपयोग दैनिक जीवन में पीने के पानी के रूप में, कृषि में, औद्योगिक प्रक्रियाओं में और ऊर्जा उत्पादन में होता है।

निष्कर्ष

CO₂ तंत्र और जल तंत्र के भौतिक और रासायनिक गुणों में महत्वपूर्ण भिन्नताएँ होती हैं। प्रावस्था नियम का उपयोग करके हम इन तंत्रों में विभिन्न प्रावस्थाओं के बीच संतुलन को समझ सकते हैं और विभिन्न परिस्थितियों में उनकी स्वतंत्रता की कोटियों को निर्धारित कर सकते हैं।