1.4-Can Matter Change its State
1.4-Can Matter Change its State Important Formulae
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- Explain the effect of change in temperature on states of matter.
- Relate the effect of pressure on different states of matter and its applications.
- Identify the various processes during change of substances from one physical state to another and classify substances on this basis.
1.4 Can Matter Change its State
Yes, matter can change its state based on certain conditions, primarily temperature and pressure. The three primary states of matter are solid, liquid, and gas. The transitions between these states are called phase changes and can occur under various circumstances.
1.4.1 Effect of Change of Temperature
Temperature is a measure of the average kinetic energy of the particles in a substance. Changes in temperature can lead to changes in the state of matter.
- Melting: When a solid is heated, its temperature rises, and the kinetic energy of its particles increases. At a specific temperature called the melting point, the solid changes to a liquid. For example, ice melts at $0^\circ C$ to form water.
- Freezing: Conversely, when a liquid is cooled, its particles lose kinetic energy. At the freezing point, the liquid changes back to a solid. Water freezes at $0^\circ C$ to become ice.
- Vaporization: Heating a liquid increases the kinetic energy of its particles, leading to vaporization when it reaches the boiling point. For example, water boils at $100^\circ C$ to form steam.
- Condensation: When a gas is cooled, its particles lose kinetic energy and come together to form a liquid. This process occurs at the condensation point, which is the same as the boiling point but in reverse.
Phase changes due to temperature are characterized by the energy changes involved. For example, during melting and boiling, heat is absorbed (endothermic process), while during freezing and condensation, heat is released (exothermic process).
1.4.2 Effect of Change of Pressure
Pressure also plays a significant role in the state of matter. Changing the pressure can influence the phase transitions of substances.
- Effect on Gases: Gases are highly compressible. When pressure is increased on a gas, its volume decreases. If the pressure is sufficiently high, it can cause gas to liquefy. For example, when gas is compressed in a cylinder, it can become a liquid at room temperature.
- Effect on Liquids: Liquids are less compressible than gases. However, increasing pressure can also lead to changes in the boiling point. The boiling point of a liquid increases under higher pressure. For example, water boils at temperatures higher than $100^\circ C$ when the pressure is increased.
- Effect on Solids: Solids are generally not affected by pressure changes to the same extent as gases and liquids. However, under extreme pressures, solids can undergo phase transitions, such as the formation of different allotropes or even changes to a liquid state in some cases.
In summary, both temperature and pressure significantly influence the states of matter and the transitions between these states. Understanding these effects is essential in various scientific and industrial applications.
F l a n k e r, penubag, Public domain, via Wikimedia Commons
1.4-Can Matter Change its State?
किसी भी पदार्थ की अवस्था (State) उसकी गति, ऊर्जा, और अणुओं की व्यवस्था पर निर्भर करती है। पदार्थ तीन मुख्य अवस्थाओं में पाया जाता है: ठोस (Solid), द्रव (Liquid), और गैस (Gas)। इन अवस्थाओं के बीच परिवर्तन संभव है। यह परिवर्तन तापमान (Temperature) और दबाव (Pressure) के आधार पर होता है।
पदार्थ की अवस्था बदलने की प्रक्रिया को "अवस्था परिवर्तन" (Change of State) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में पदार्थ की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है, जिससे अणुओं के बीच की दूरी और गति बदलती है।
अवस्था परिवर्तन के प्रकार:
पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन कई प्रकार से हो सकता है:
- ठोस से द्रव में परिवर्तन (Melting): जब ठोस पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो उसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है और अणुओं के बीच की दूरी बढ़ने लगती है। इस प्रक्रिया को मेल्टिंग (Melting) कहा जाता है। उदाहरण: बर्फ का पानी में बदलना।
- द्रव से ठोस में परिवर्तन (Freezing): जब द्रव पदार्थ को ठंडा किया जाता है, तो उसकी गति धीमी हो जाती है और अणु आपस में करीब आ जाते हैं, जिससे द्रव ठोस में बदल जाता है। उदाहरण: पानी का बर्फ में बदलना।
- द्रव से गैस में परिवर्तन (Vaporization): जब द्रव पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो अणुओं की गति बहुत तेज हो जाती है, जिससे वे गैस में बदल जाते हैं। इसे वाष्पन (Vaporization) कहते हैं। यह प्रक्रिया दो प्रकार से होती है:
- उबालना (Boiling): जब द्रव पूरे आकार में गर्म होकर गैस में बदलता है, तो इसे उबालना कहते हैं। उदाहरण: पानी का उबालना।
- आवाष्पन (Evaporation): द्रव का वाष्पन तब भी होता है जब तापमान कम हो और द्रव की सतह से ही गैस का रूप लेता है। उदाहरण: समुद्र का पानी उडऩा।
- गैस से द्रव में परिवर्तन (Condensation): जब गैस को ठंडा किया जाता है, तो उसकी गति धीमी होती है और गैस द्रव में बदल जाती है। इस प्रक्रिया को संक्षेपण (Condensation) कहते हैं। उदाहरण: पानी की बूंदों का बनना।
- ठोस से गैस में परिवर्तन (Sublimation): कुछ पदार्थ बिना द्रव बनाए सीधे ठोस से गैस में बदल सकते हैं। इसे समाविसरण (Sublimation) कहते हैं। उदाहरण: नाफ्थलीन की गोलियां।
अवस्था परिवर्तन के लिए समीकरण (Equation for State Change):
जब भी कोई पदार्थ एक अवस्था से दूसरी अवस्था में बदलता है, तो उसके साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है। इस ऊर्जा को "हैट (Heat)" कहा जाता है। स्थिति परिवर्तन के दौरान तापमान और दबाव में भी बदलाव होता है। अवस्था परिवर्तन की ऊर्जा के संबंध में निम्नलिखित सूत्र लागू होते हैं:
- जब पदार्थ मेल्टिंग या फ्रीजिंग करता है, तो उसे ऊष्मा की आवश्यकता होती है या वह ऊष्मा छोड़ता है। इस स्थिति में ऊर्जा का आदान-प्रदान लात (Latent Heat) के रूप में होता है, जिसका सूत्र है: $Q = m \times L$ जहाँ $Q$ ऊष्मा (Heat) है, $m$ पदार्थ का द्रव्यमान (Mass) है, और $L$ विलयणांक (Latent Heat) है।
- जब पदार्थ वाष्पित होता है, तो इसे वाष्पीकरण के लिए ऊष्मा की आवश्यकता होती है। इसका सूत्र भी: $Q = m \times L_v$ यहाँ $L_v$ वाष्पीकरण के लिए विलयणांक (Latent Heat of Vaporization) है।
सभी अवस्था परिवर्तनों में तापमान और दबाव का विशेष महत्व होता है, और इसके द्वारा ही हम निर्धारित कर सकते हैं कि कौन सी अवस्था किस स्थिति में होगी।