BPSC 70वीं CCE प्रारंभिक सामान्य अध्ययन · प्रश्न 64 / 143

सही — B, कम तापमान, उच्च दाब। कोई गैस तब द्रव बनती है जब उसके अणुओं के बीच का आकर्षण अंततः उनकी गतिज ऊर्जा पर भारी पड़ जाता है, और उत्तर में दी गई दोनों शर्तें इन्हीं दो राशियों पर अलग-अलग वार करती हैं। तापमान घटाने से अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा घटती है, इसलिए उनमें एक-दूसरे के खिंचाव से छूट भागने लायक चाल नहीं रह जाती। दाब बढ़ाने से वे कम आयतन में ठुँस जाते हैं, इसलिए अणुओं के बीच की औसत दूरी घटती है और कमज़ोर वान डर वाल्स आकर्षण — जो दूरी के साथ तेज़ी से क्षीण होते हैं — इतने प्रबल हो जाते हैं कि अणुओं को साथ थामे रख सकें। सामान्यतः अकेली कोई एक शर्त पर्याप्त नहीं होती, और तापमान वाली शर्त ही वह है जिससे सौदा नहीं किया जा सकता : हर गैस का एक क्रांतिक तापमान होता है, जिसके ऊपर कोई भी दाब उसे द्रव नहीं बना सकता, क्योंकि उस तापमान से ऊपर अणुओं के पास इतनी ऊर्जा होती है कि कोई आकर्षण उन्हें बाँध ही नहीं सकता। यही कारण है कि 'उच्च तापमान' वाले दोनों विकल्प केवल अकुशल नहीं, सीधे विफल हैं। थॉमस एंड्रयूज़ ने 1869 में कार्बन डाइऑक्साइड को संपीड़ित करके यह स्थापित किया और पाया कि 31 डिग्री सेल्सियस से ऊपर वह उनके लगाए किसी भी दाब पर संघनित होने से इनकार कर देती है। यही यह भी समझाता है कि उन्नीसवीं सदी के अधिकांश समय तक शास्त्रीय 'स्थायी गैसें' — हाइड्रोजन, हीलियम, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन — द्रवीकरण का विरोध क्यों करती रहीं : उनके क्रांतिक तापमान कमरे के तापमान से बहुत नीचे हैं, इसलिए रसायनज्ञ उन गैसों पर दाब लगा रहे थे जिन्हें पहले गहराई से ठंडा करना ज़रूरी था।

• (a)कम तापमान, कम दाब — तापमान वाला आधा हिस्सा सही है और दाब वाला गलत। पर्याप्त गहराई तक ठंडा किया जाए तो अकेली शीतलता भी काम कर जाती है — द्रव नाइट्रोजन मूलतः वायुमंडलीय दाब पर ही बनाया जाता है — पर कम दाब पर अणु दूर-दूर बने रहते हैं, इसलिए कहीं अधिक गहरी ठंडक चाहिए। दाब ही वह चीज़ है जो द्रवीकरण को सँभाले जा सकने वाले तापमान पर संभव बनाता है, और इसीलिए औद्योगिक संयंत्र दोनों का उपयोग करते हैं।
• (c)उच्च तापमान, कम दाब — यह तो किसी पदार्थ को गैस बनाए रखने का ठीक-ठीक नुस्ख़ा है, और इसी तरह द्रवों का वाष्पन कराया जाता है। दोनों चर उलटी दिशा में धकेलते हैं : ऊष्मा अणुओं को एक-दूसरे से छूटने के लिए और अधिक गतिज ऊर्जा देती है, और कम दाब उन्हें फैल जाने देता है। इन परिस्थितियों में कभी कोई गैस द्रवीकृत नहीं हुई।
• (d)उच्च तापमान, उच्च दाब — यह लुभावना अर्ध-सत्य है, जिसे वे अभ्यर्थी चुनते हैं जिन्हें याद है कि दाब गैसों को द्रव बनाता है और जो वहीं रुक जाते हैं। किसी गैस के क्रांतिक तापमान से ऊपर दाब शक्तिहीन है — 31 °C से ऊपर कार्बन डाइऑक्साइड कितना भी दबाई जाए, द्रव नहीं बनेगी। गर्म गैस को संपीड़ित करने से बस एक सघन अतिक्रांतिक तरल बनता है, दृश्य सतह वाला द्रव नहीं।

यहाँ सबसे उपयोगी एक ही विचार क्रांतिक तापमान है : यह वह उच्चतम तापमान है जिस पर कोई पदार्थ द्रव के रूप में रह सकता है, और उससे ऊपर द्रव और गैस का भेद ही मिट जाता है। ठीक क्रांतिक तापमान पर किसी गैस को द्रव बनाने के लिए आवश्यक दाब क्रांतिक दाब कहलाता है, और दोनों मिलकर क्रांतिक बिंदु परिभाषित करते हैं, जिसका वर्णन सबसे पहले थॉमस एंड्रयूज़ ने 1869 में कार्बन डाइऑक्साइड के लिए किया। क्रांतिक तापमान से नीचे द्रव-वाष्प सीमा दाब-तापमान आरेख पर एक वक्र होती है : गैस को ठंडा कीजिए या संपीड़ित कीजिए, आप उस वक्र को पार कर जाते हैं। औद्योगिक रूप से द्रवीकरण जूल-थॉमसन प्रभाव का उपयोग करता है — संपीड़ित गैस किसी अवरोधक से फैलते हुए ठंडी हो जाती है — जिसका प्रयोग कार्ल फ़ॉन लिंडे की 1895 की वायु-द्रवीकरण प्रक्रिया में हुआ और जिसे जॉर्ज क्लॉद ने एक प्रसार-इंजन जोड़कर परिष्कृत किया, जो बाहरी कार्य भी निकाल लेता है।

चार में से दो विकल्प एक ही तथ्य से हटाए जा सकते हैं — कि क्रांतिक तापमान से ऊपर कोई गैस द्रव नहीं बनती — और यह एक साथ दोनों 'उच्च तापमान' वाले विकल्प निकाल देता है। बचा हुआ निर्णय, कम तापमान पर कम दाब बनाम उच्च दाब के बीच, इस पर टिका है कि दाब वास्तव में करता क्या है : वह माध्य मुक्त पथ घटाता है और अणुओं को उनके पारस्परिक आकर्षण की पहुँच के भीतर ले आता है। परीक्षा कक्ष में ले जाने लायक सबसे स्पष्ट भेदक LPG और LNG का अंतर है। LPG प्रोपेन और ब्यूटेन है, जिनके क्रांतिक तापमान कमरे के तापमान से काफ़ी ऊपर हैं (ब्यूटेन का लगभग 152 °C), इसलिए कुछ वायुमंडल दाब वाला इस्पाती सिलिंडर उन्हें बिना किसी शीतलन के द्रव रूप में थामे रहता है। LNG मुख्यतः मीथेन है, जिसका क्रांतिक तापमान लगभग −82.6 °C है, इसलिए वहाँ कोई दाब काम नहीं आएगा — LNG पोत मीथेन को लगभग −162 °C तक ठंडा करके लगभग वायुमंडलीय दाब पर ढोते हैं। वही उद्योग, वही उद्देश्य, उलटी विधियाँ, और दोनों को क्रांतिक तापमान समझा देता है।

• क्रांतिक तापमान वह तापमान है जिसके ऊपर अकेले दाब से किसी गैस को द्रव नहीं बनाया जा सकता; कार्बन डाइऑक्साइड का लगभग 31 °C है, जिसका क्रांतिक दाब लगभग 73 वायुमंडल है।
• थॉमस एंड्रयूज़ ने 1869 में कार्बन डाइऑक्साइड पर संपीड़न प्रयोगों से क्रांतिक बिंदु स्थापित किया।
• 'स्थायी गैसों' के क्रांतिक तापमान अत्यंत नीचे हैं — ऑक्सीजन लगभग −118.6 °C, नाइट्रोजन लगभग −147 °C, हाइड्रोजन लगभग −240 °C और हीलियम लगभग −268 °C (5.19 K)।
• जेम्स ड्यूअर ने 1898 में सबसे पहले हाइड्रोजन को द्रव बनाया और हाइके कामरलिंघ ओनेस ने 1908 में लगभग 4.2 K पर हीलियम को, जिस काम ने उन्हें 1911 में अतिचालकता की खोज तक पहुँचाया।
• कार्ल फ़ॉन लिंडे की 1895 की वायु-द्रवीकरण प्रक्रिया जूल-थॉमसन प्रभाव का उपयोग करती है — संपीड़ित गैस अवरोधक से फैलते हुए ठंडी होती है — और आज भी औद्योगिक निम्नतापिकी का आधार है।

• यह मान लेना कि अकेला दाब किसी भी गैस को द्रव बना सकता है — क्रांतिक तापमान से ऊपर वह ऐसा नहीं कर सकता, चाहे कितना भी ऊँचा हो
• यह मान लेना कि दोनों चर चरम पर होने चाहिए; अमोनिया कमरे के तापमान के पास मामूली दाब पर ही द्रव बन जाती है, क्योंकि उसका क्रांतिक तापमान लगभग 132 °C है
• गैस के द्रवीकरण को हवा में वाष्प के संघनन से गड्डमड्ड कर देना — भौतिकी वही प्रावस्था-सीमा है, पर परीक्षा के विकल्प प्रायः जान-बूझकर की गई औद्योगिक प्रक्रिया के बारे में पूछते हैं

BPSC इसे दो चरों वाले सीधे विकल्प के रूप में पूछता है — ऐसा प्रश्न जिसे यह जानने वाला कोई भी दस सेकंड में तय कर लेता है कि हर चर किस दिशा में धकेलता है। UPSC इसे इतने सीधे रूप में लगभग कभी नहीं पूछता; वह वही भौतिकी किसी अनुप्रयोग में गूँथ देता है — प्रेशर कुकर पकाने का तापमान कैसे बढ़ाता है, निम्नतापिकी इंजन क्या जलाता है, या किसी नोज़ल से फैलती गैस का क्या होता है — इसलिए किसी वाक्यांश को रटने से अधिक प्रावस्था-सीमा को समझना मायने रखता है।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  किसी गैस को केवल दाब लगाकर द्रव नहीं बनाया जा सकता, जब वह

  • (a)अपने क्रांतिक तापमान से नीचे हो
  • (b)अपने क्रांतिक तापमान से ऊपर हो
  • (c)अपने त्रिक बिंदु पर हो
  • (d)अपने क्वथनांक से नीचे हो

  उत्तर(b) अपने क्रांतिक तापमान से ऊपर हो — उस तापमान से आगे कोई दाब द्रव नहीं बनाता, केवल एक सघन अतिक्रांतिक तरल बनता है।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  प्राकृतिक गैस को LNG के रूप में ढोने के लिए लगभग −162 °C तक ठंडा करना पड़ता है, जबकि LPG कमरे के तापमान पर साधारण इस्पाती सिलिंडरों में द्रव रूप में रखी जाती है। इसका कारण यह है कि

  • (a)मीथेन प्रोपेन और ब्यूटेन से भारी है
  • (b)मीथेन का क्रांतिक तापमान कमरे के तापमान से बहुत नीचे है, जबकि प्रोपेन और ब्यूटेन के उससे ऊपर हैं
  • (c)LPG सिलिंडर LNG टैंकों की तुलना में कहीं अधिक दाब पर रखे जाते हैं
  • (d)मीथेन गैस-नियमों का पालन नहीं करती

  उत्तर(b) मीथेन का क्रांतिक तापमान कमरे के तापमान से बहुत नीचे है, जबकि प्रोपेन और ब्यूटेन के उससे ऊपर हैं — मीथेन का लगभग −82.6 °C है, इसलिए अकेला दाब उसे द्रव नहीं बना सकता।