Critical state and Liquefaction of gases Questions in Hindi

(N/A) एक बंद पात्र में क्रांतिक ताप से नीचे,द्रव और उसकी वाष्प के बीच पृथक्करण की सतह (मेनिस्कस) स्पष्ट रूप से दिखाई देती है।
जैसे-जैसे ताप क्रांतिक बिंदु के करीब पहुँचता है,प्रसार के कारण द्रव का घनत्व कम हो जाता है और संपीड़न के कारण वाष्प का घनत्व बढ़ जाता है।
क्रांतिक ताप पर,द्रव और वाष्प का घनत्व समान हो जाता है और पृथक्करण की सतह लुप्त हो जाती है। द्रव और गैसीय अवस्थाओं को अब अलग नहीं किया जा सकता है।
यह तरल,जो अब एक समांगी मिश्रण है,सुपरक्रिटिकल फ्लूइड कहलाता है। अपने क्रांतिक ताप और दाब से ऊपर के किसी भी तरल को सुपरक्रिटिकल फ्लूइड कहा जाता है।
सुपरक्रिटिकल फ्लूइड का उपयोग कार्बनिक पदार्थों के निष्कर्षण के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए,$31.1^{\circ}C$ से ऊपर और $73.8 \ bar$ दाब से ऊपर $CO_{2}$ का घनत्व लगभग $1 \ g/cm^{3}$ होता है। इसका उपयोग कॉफी बीन्स से कैफीन को घोलने के लिए क्लोरोफ्लोरोकार्बन के एक सुरक्षित विकल्प के रूप में किया जाता है।

(N/A) गैस को तरल में या तरल को गैस में एक ऐसी प्रक्रिया द्वारा बदलना संभव है कि हर समय केवल एक ही अवस्था मौजूद रहे।
उदाहरण के लिए,दिए गए चित्र में,हम तापमान बढ़ाकर $A$ बिंदु से ऊपर की ओर जा सकते हैं,जो क्रांतिक तापमान $(31.1^{\circ}C)$ से अधिक हो।
फिर,हम इस स्थिर तापमान पर समतापी वक्र के साथ गैस को संपीड़ित कर सकते हैं। दबाव बढ़ेगा।
अंत में,हम तापमान कम करके नीचे की ओर जा सकते हैं। जैसे ही हम क्रांतिक बिंदु $E$ के ऊपर के क्षेत्र को पार करते हैं,हमें तरल अवस्था प्राप्त होती है।
इस प्रकार,इस प्रक्रिया के दौरान हम कभी भी दो-चरणीय (two-phase) क्षेत्र से नहीं गुजरते हैं। यह प्रक्रिया क्रांतिक तापमान $T_c$ से ऊपर की जाती है,जिसमें पदार्थ हमेशा एक ही अवस्था में रहता है। इसे गैसीय और तरल अवस्था के बीच अवस्था की निरंतरता (continuity of state) कहा जाता है।

(C) गैसों का द्रवीकरण दबाव और तापमान दोनों पर निर्भर करता है। $1$. दबाव बढ़ाने से गैस के अणु एक-दूसरे के करीब आते हैं। $2$. तापमान कम करने से गैस के अणुओं की गतिज ऊर्जा कम हो जाती है,जिससे अंतर-आणविक बल उन्हें तरल अवस्था में बनाए रखने में सक्षम होते हैं। इस प्रकार,उच्च दबाव और कम तापमान पर द्रवीकरण सबसे प्रभावी होता है।

(D) एंड्रयूज ग्राफ एक निश्चित तापमान पर गैस के दबाव $(P)$ बनाम आयतन $(V)$ का समतापी वक्र है। इस ग्राफ के माध्यम से गैसों के द्रवीकरण की उचित परिस्थितियों और क्रांतिक तापमान $(T_c)$ का निर्धारण किया जा सकता है। इसलिए,सही विकल्प $D$ है।

(D) क्रांतिक स्थिरांकों को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
$(i)$ क्रांतिक तापमान $(T_C)$
$(ii)$ क्रांतिक दाब $(P_C)$
$(iii)$ क्रांतिक आयतन $(V_C)$
अतः,उल्लिखित सभी पैरामीटर क्रांतिक स्थिरांक हैं.

(N/A) किसी गैस का क्रांतिक तापमान वह तापमान है जिसके ऊपर गैस को द्रवित नहीं किया जा सकता,चाहे कितना भी दबाव क्यों न लगाया जाए।
$CO_2$ के लिए,क्रांतिक तापमान $30.98^{\circ}C$ ($73.0 \ atm$ दबाव पर) है।

(C) $CO_2$ का क्रांतिक तापमान $30.98 \, ^\circ C$ है।
इस तापमान से ऊपर,$CO_2$ केवल गैस के रूप में मौजूद होता है और इसे केवल दबाव द्वारा द्रवित नहीं किया जा सकता है।
इस तापमान से नीचे,लागू किए गए दबाव के आधार पर $CO_2$ द्रव या गैस-द्रव संतुलन मिश्रण के रूप में मौजूद हो सकता है।

(N/A) $CO_2$ का क्रांतिक तापमान $(T_C)$ $31.1^{\circ}C$ होता है।
$30.98^{\circ}C$ तापमान पर ($T_C$ के निकट),$CO_2$ गैस और द्रव अवस्था के संतुलन में होता है।
$13.1^{\circ}C$ तापमान पर $(T < T_C)$,$CO_2$ द्रव अवस्था में होता है।
$31.5^{\circ}C$ और $50^{\circ}C$ तापमान पर $(T > T_C)$,$CO_2$ गैस अवस्था में होता है।

(C) $30.98 \, ^\circ C$ तापमान $CO_2$ का क्रांतिक तापमान (critical temperature) है।
इस तापमान पर (गैस + तरल) सह-अस्तित्व क्षेत्र देखा जाता है।
जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है (संपीड़न),गैस धीरे-धीरे तरल में बदल जाती है।
जैसे-जैसे दबाव कम होता है (विस्तार),तरल वापस गैस में बदल जाता है।
क्रांतिक बिंदु से परे,यह एक सुपरक्रिटिकल तरल के रूप में मौजूद होता है।

(N/A) यदि कोई पदार्थ अपने क्रांतिक ताप से कम तापमान पर गैसीय अवस्था में है और उसे दाब लगाकर द्रवित किया जा सकता है,तो उसे उस पदार्थ की वाष्प कहा जाता है। जब $CO_2$ का तापमान उसके क्रांतिक ताप $31.1 \ ^\circ C$ से कम होता है,तो उसे $CO_2$ वाष्प कहा जाता है।

(A) जिन गैसों का क्रांतिक तापमान अधिक होता है,उनका द्रवीकरण आसान होता है क्योंकि उन्हें उच्च तापमान पर द्रवित किया जा सकता है।
चूंकि $O_2$ का क्रांतिक तापमान $(154.3 \ K)$,$N_2$ $(126.0 \ K)$ से अधिक है,इसलिए वायु को ठंडा करने की प्रक्रिया के दौरान $O_2$ पहले द्रवित होगी।

(A) जब किसी पदार्थ का तापमान उसके क्रांतिक तापमान $(T_{c})$ से कम होता है,तो उसे $vapor$ (वाष्प) कहा जाता है।
इसे दबाव डालकर आसानी से द्रवित किया जा सकता है।
जब किसी पदार्थ का तापमान उसके क्रांतिक तापमान $(T_{c})$ से अधिक होता है,तो उसे $gas$ (गैस) कहा जाता है।
इसे केवल दबाव डालकर द्रवित नहीं किया जा सकता है,चाहे कितना भी दबाव क्यों न लगाया जाए।

(C) क्रांतिक ताप $(T_c)$ पर,द्रव और गैसीय अवस्थाओं के बीच का अंतर समाप्त हो जाता है। चूंकि पृष्ठ तनाव द्रव और उसकी वाष्प के बीच के अंतरापृष्ठ पर अंतर-आणविक बलों के कारण उत्पन्न होने वाला एक गुण है,इसलिए क्रांतिक ताप पर यह $0$ हो जाता है।

(A) क्रांतिक तापमान $(T_{C})$ वह तापमान है जिसके ऊपर किसी गैस को कितना भी दबाव लगाकर द्रवित नहीं किया जा सकता है।
इस तापमान पर,द्रव और उसकी वाष्प का घनत्व समान हो जाता है और द्रव तथा गैस के बीच की सीमा समाप्त हो जाती है।

(D)
दिए गए सभी कथन सही हैं।
$(i)$ क्रांतिक तापमान $(T_c)$ से ऊपर के तापमान पर,जैसे $T_1$,गैस को केवल दबाव डालकर द्रवित नहीं किया जा सकता है।
$(ii)$ $T_2$ पर,बिंदु $B$ संघनन की शुरुआत का प्रतिनिधित्व करता है जहाँ गैस द्रवित होना शुरू हो जाती है।
$(iii)$ $T_c$ (क्रांतिक तापमान) वह उच्चतम तापमान है जिस पर गैस को दबाव द्वारा द्रवित किया जा सकता है।
$(iv)$ बिंदु $A$ पर,पदार्थ पूरी तरह से द्रव अवस्था में होता है; आगे दबाव बढ़ाने पर दबाव में तीव्र वृद्धि होती है क्योंकि द्रव लगभग असंपीड्य होते हैं।

(A) बिंदु $(a)$ पर,$CO_2$ गैस के रूप में मौजूद होती है।
बिंदु $(b)$ पर,$CO_2$ का द्रवीकरण शुरू होता है।
बिंदु $(c)$ पर,द्रवीकरण समाप्त हो जाता है।
बिंदु $(b)$ और $(c)$ के बीच,तरल और गैसीय $CO_2$ सह-अस्तित्व में होते हैं।
जैसे-जैसे आयतन $(b)$ से $(c)$ तक घटता है,गैस की मात्रा घटती है और तरल की मात्रा बढ़ती है।
कथनों का मूल्यांकन:
$A.$ सही: $CO_2$ बिंदु $(b)$ तक गैस के रूप में रहती है।
$B.$ गलत: तरल $CO_2$ बिंदु $(b)$ पर दिखाई देना शुरू होती है,$(c)$ पर नहीं।
$C.$ सही: बिंदु $(b)$ और $(c)$ के बीच तरल और गैसीय $CO_2$ सह-अस्तित्व में होते हैं।
$D.$ गलत: जैसे-जैसे आयतन $(b)$ से $(c)$ तक घटता है,तरल की मात्रा बढ़ती है,घटती नहीं है।
अतः,$2$ कथन ($A$ और $C$) सही हैं।

(D) गैस का द्रवीकरण उसके क्रांतिक तापमान $(T_C)$ के सीधे आनुपातिक होता है।
जैसे-जैसे तापमान $500 \ K$ से कम किया जाता है,उच्चतम क्रांतिक तापमान वाली गैस सबसे पहले द्रवित होगी।
दिए गए क्रांतिक तापमानों की तुलना करने पर: $NH_3$ $(405.5 \ K)$ > $CO_2$ $(304.1 \ K)$ > $N_2$ $(126 \ K)$ > $He$ $(5.3 \ K)$.
चूंकि $NH_3$ का क्रांतिक तापमान सबसे अधिक है,इसलिए यह सबसे पहले द्रवित होगी।

(B) कार्बन डाइऑक्साइड पर एंड्रयूज के प्रयोगों के अनुसार,गैस केवल अपने क्रांतिक तापमान से ऊपर के तापमान पर ही बॉयल के नियम का पालन करती है।
कार्बन डाइऑक्साइड के लिए,क्रांतिक तापमान $(T_c)$ $31.1^{\circ}C$ है।
$31.1^{\circ}C$ से कम तापमान पर,गैस को दबाव द्वारा द्रवित किया जा सकता है,और यह आदर्श गैस व्यवहार से काफी विचलित हो जाती है।
इसलिए,वह न्यूनतम तापमान जिस पर $CO_2$ एक आदर्श गैस की तरह व्यवहार करती है (बॉयल के नियम का पालन करती है),उसका क्रांतिक तापमान है,जो $31.1^{\circ}C$ है।

(B) $CO_2$ के एंड्रयूज समतापी वक्रों के प्रयोगों के अनुसार,कार्बन डाइऑक्साइड का क्रांतिक दाब $(P_C) = 73 \ atm$ है।
इस क्रांतिक दाब पर,जिस तापमान पर गैस संघनित होना शुरू होती है,उसे क्रांतिक तापमान $(T_C)$ कहा जाता है।
$CO_2$ के लिए,क्रांतिक तापमान $(T_C) = 30.98^{\circ} C$ है।

(D) गैस के द्रवीकरण की सुगमता उसके क्रांतिक ताप $(T_{c})$ पर निर्भर करती है।
जिन गैसों का क्रांतिक ताप अधिक होता है,उन्हें द्रवित करना आसान होता है क्योंकि उन्हें उच्च तापमान पर भी द्रवित किया जा सकता है।
दी गई गैसों के क्रांतिक ताप लगभग इस प्रकार हैं: $SO_2$ $(430 \ K)$,$Cl_2$ $(417 \ K)$,$NH_3$ $(405 \ K)$,और $O_2$ $(154.6 \ K)$।
चूंकि $O_2$ का क्रांतिक ताप सबसे कम है,इसलिए दिए गए विकल्पों में से इसे द्रवित करना सबसे कठिन है।

(A) गैस का द्रवीकरण अंतर-आणविक आकर्षण बलों की तीव्रता पर निर्भर करता है।
$SO_2$,$Cl_2$,और $NH_3$ ध्रुवीय अणु हैं,जिनमें मजबूत द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण बल होते हैं।
$O_2$ एक अध्रुवीय अणु है,जिसमें केवल कमजोर लंदन परिक्षेपण बल होते हैं।
इसलिए,$O_2$ का क्रांतिक तापमान सबसे कम होता है और इसे द्रवित करना सबसे कठिन है।

(A) जल का क्रांतिक ताप लगभग $647 \ K$ $(647.096 \ K)$ है।

(C) जिन गैसों का क्रांतिक तापमान उच्च होता है और जिनके अणुओं के बीच आकर्षण बल मजबूत होता है,उन्हें द्रवित करना आसान होता है।
दिए गए विकल्पों में से,$Cl_{2}$ (क्लोरीन) का क्रांतिक तापमान अपेक्षाकृत उच्च $(417 \ K)$ है और इसमें वैन डर वाल्स बल मजबूत होते हैं,जिससे इसे आसानी से द्रवित किया जा सकता है।
इसके विपरीत,$O_{2}$,$N_{2}$ और $He$ जैसी गैसों का क्रांतिक तापमान बहुत कम होता है और इन्हें स्थायी गैसें माना जाता है,जिन्हें सामान्य तापमान पर द्रवित करना कठिन होता है।

(D) क्रांतिक तापमान $(T_c)$ वह तापमान है जिसके ऊपर किसी गैस को द्रवित नहीं किया जा सकता,चाहे कितना भी दबाव क्यों न लगाया जाए।
यह वह न्यूनतम तापमान नहीं है जिस पर द्रवीकरण होता है; बल्कि यह वह अधिकतम तापमान है जिस पर गैस तरल रूप में मौजूद हो सकती है।
अतः,कथन $(D)$ गलत है।

(A) फेज डायग्राम (phase diagram) के अनुसार,द्रव अवस्था निचले तापमान सीमा पर त्रिक बिंदु (triple point) और ऊपरी तापमान सीमा पर क्रांतिक बिंदु (critical point) द्वारा सीमित होती है। त्रिक बिंदु के नीचे,पदार्थ ठोस या वाष्प के रूप में मौजूद होता है। क्रांतिक तापमान $(T_c)$ के ऊपर,पदार्थ एक सुपरक्रिटिकल तरल के रूप में मौजूद होता है,जहाँ द्रव और गैस के बीच का अंतर समाप्त हो जाता है। इसलिए,एक द्रव केवल त्रिक बिंदु और क्रांतिक बिंदु के बीच ही अस्तित्व में रह सकता है।

(D) गैस के द्रवीकरण की सुगमता उसके क्रांतिक तापमान $(T_c)$ के सीधे समानुपाती होती है।
$C$ का क्रांतिक तापमान सबसे अधिक,यानी $405.5 \ K$ है।
इसलिए,गैस $C$ सबसे आसानी से द्रवित होगी और ठंडा करने पर सबसे पहले तरल अवस्था में परिवर्तित हो जाएगी।

(C) दिया गया है,$T_c = \frac{8 a}{27 R b}$,$p_c = \frac{a}{27 b^2}$,$V_c = 3 b$.
संपीड्यता गुणांक $(Z)$ को $Z = \frac{p V}{R T}$ के रूप में परिभाषित किया गया है।
क्रिटिकल स्टेट पर,$Z = \frac{p_c V_c}{R T_c}$.
मान प्रतिस्थापित करने पर:
$Z = \frac{(\frac{a}{27 b^2}) \times (3 b)}{R \times (\frac{8 a}{27 R b})}$.
$Z = \frac{\frac{3 a}{27 b}}{\frac{8 a}{27 b}} = \frac{3}{8}$.
अतः,सही विकल्प $(C)$ है।

(A, C, D) क्रांतिक तापमान $(T_c)$ से ऊपर,केवल दबाव डालकर गैस को द्रवित नहीं किया जा सकता है।
इस तापमान पर,द्रव और गैस अवस्थाओं के बीच का अंतर समाप्त हो जाता है,जिसका अर्थ है कि द्रव अवस्था को गैस अवस्था से अलग नहीं किया जा सकता है।
इसके अलावा,पदार्थ का घनत्व दबाव $(P)$ या आयतन $(V)$ में परिवर्तन के साथ लगातार बदलता रहता है क्योंकि यह सुपरक्रिटिकल तरल के रूप में मौजूद होता है।
अतः,कथन $A$,$C$ और $D$ लागू होते हैं।

(B) एक गैस को उसके क्रांतिक तापमान $T_{c}$ से कम तापमान $T$ पर द्रवित किया जा सकता है।
$T_{c}$ से कम तापमान पर,गैस को पर्याप्त दाब लगाकर द्रवित किया जा सकता है,विशेष रूप से जब दाब $p$,क्रांतिक दाब $p_{c}$ से अधिक हो।
अतः,द्रवीकरण के लिए शर्त $T < T_{c}$ और $p > p_{c}$ है।