चरण आरेख परिभाषा

एक चरण आरेख विभिन्न स्थितियों के तहत एक प्रणाली के थर्मोडायनामिक संतुलन के विभिन्न राज्यों का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व है। इस प्रकार का ग्राफ हमें अन्य बातों के अलावा, कुछ शर्तों के तहत मौजूद चरणों की भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है, साथ ही बाइनरी मिश्रण या अधिक जटिल मिश्रण के मामले में प्रत्येक चरण पाया जाता है और इसकी संरचना का अनुपात ।

चरण आरेखों के प्रकार

एकल घटक चरण आरेख (शुद्ध पदार्थ आरेख)

ये आरेख विभिन्न चरणों या एकत्रीकरण की अवस्थाओं को दिखाते हैं जिसमें तापमान और दबाव के विभिन्न मूल्यों पर एक शुद्ध पदार्थ पाया जा सकता है। ये चरण आरेख बहुत जटिल हो सकते हैं, विशेष रूप से ठोस चरण में, जहां तापमान और दबाव की स्थिति स्पष्ट रूप से अलग-अलग गुणों के साथ कई अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाओं के गठन का पक्ष ले सकती है ।

शुद्ध पदार्थ के लिए एक चरण आरेख का विशिष्ट आकार नीचे दिखाया गया है:

एक शुद्ध पदार्थ के विशिष्ट चरण आरेखों के दो उदाहरण मौलिक कार्बन और हीलियम के हैं, जो निम्नलिखित आकृति में दिखाए गए हैं। कार्बन , एक अधातु , विभिन्न ठोस अपरूपों (ग्रेफाइट और हीरा) में हो सकता है; यह तरल और गैसीय अवस्था में भी हो सकता है। हीलियम के मामले में, यह एक ऐसी गैस है जिसे आसानी से द्रवित नहीं किया जा सकता है।

बाइनरी सिस्टम के चरण आरेख (दो-घटक आरेख)

बाइनरी चरण आरेखों में सिस्टम की कुल संरचना के एक समारोह के रूप में दो घटकों (बाइनरी सिस्टम) से बने सिस्टम में विभिन्न तापमानों पर या अलग-अलग दबावों पर बनने वाले चरणों का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व होता है (आमतौर पर एक्स अक्ष पर दर्शाया जाता है) .

मिश्रण के विशेष घटकों के आधार पर, ये सिस्टम विभिन्न प्रकार के चरण आरेखों को जन्म दे सकते हैं। इनमें से कुछ आरेखों में एकत्रीकरण (ठोस, तरल या गैस) की विभिन्न अवस्थाओं में शुद्ध घटकों के अलग-अलग चरण बनते हैं, जबकि अन्य मामलों में दोनों घटकों के सजातीय चरण बनते हैं।

दो बाइनरी चरण आरेख नीचे दिखाए गए हैं। पूर्व एक बाइनरी सिस्टम का एक उदाहरण है जो एक यूटेक्टिक मिश्रण बनाता है, जबकि बाद वाला नहीं करता है।

टर्नरी सिस्टम के चरण आरेख (तीन घटकों के आरेख)

इन आरेखों में एक त्रिकोण का उपयोग प्रत्येक तरफ, तीन बाइनरी सिस्टमों में से प्रत्येक की संरचना का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जाता है जिसे तीन घटकों के बीच बनाया जा सकता है। त्रिभुज के अंदर का कोई भी बिंदु निश्चित संरचना की एक त्रिगुट प्रणाली का प्रतिनिधित्व करता है।

इन मामलों में, प्रत्येक प्रजाति की एकाग्रता का प्रतिनिधित्व किया जाना चाहिए, या तो मोल अंश या द्रव्यमान अंश के रूप में (यह सुनिश्चित करने के लिए कि सभी अंशों का योग 1 हो) या प्रतिशत के रूप में (यह सुनिश्चित करने के लिए कि कुल एकाग्रता हमेशा 100% तक बढ़ जाती है)। ).

सिस्टम की प्रत्येक संभावित संरचना के लिए, एक निश्चित तापमान और दबाव पर, मौजूद चरण या चरण दिखाए जाते हैं।

एक चरण आरेख का निर्माण

एक चरण आरेख के निर्माण की प्रक्रिया या तो सैद्धांतिक रूप से या प्रयोगात्मक जानकारी से की जा सकती है। पहले मामले में, थर्मोडायनामिक समीकरणों का उपयोग प्रणाली के गुणों और इसकी संरचना के आधार पर एक प्रणाली की संतुलन स्थिति की गणना करने के लिए किया जाता है (चाहे वह एक शुद्ध पदार्थ, एक द्विआधारी मिश्रण या एक त्रिगुट प्रणाली हो)। अपेक्षाकृत सरल प्रणालियों को छोड़कर, यह दृष्टिकोण काफी जटिल है और इसे पूरा करना कठिन है।

प्रायोगिक दृष्टिकोण से, चरण आरेखों के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाएँ आमतौर पर समान होती हैं, भले ही प्रश्न में चरण आरेख के प्रकार की परवाह किए बिना। ज्यादातर मामलों में, इसकी संरचना और अन्य गुणों के दृष्टिकोण से अच्छी तरह से परिभाषित प्रारंभिक अवस्था में एक प्रणाली से शुरू करने की मांग की जाती है, और इसे किसी तरह से देखा जाता है (नग्न आंखों से या वाद्य तकनीकों के माध्यम से)। कौन सा चरण या चरण मौजूद हैं। फिर धीरे-धीरे सिस्टम के कुछ गुणों में परिवर्तन करें, अन्य सभी गुणों को स्थिर रखते हुए, स्थिति के किसी भी परिवर्तन को ध्यान में रखते हुए और जिन स्थितियों में यह परिवर्तन हुआ है।

शुद्ध पदार्थों के आरेखों का निर्माण

शुद्ध पदार्थों के मामले में , एक दबाव आमतौर पर सेट किया जाता है और फिर तापमान भिन्न होता है, आरेख पर संबंधित दबाव की ऊंचाई पर चरण परिवर्तन बिंदुओं का प्रतिनिधित्व करता है। फिर दबाव बदल जाता है और प्रक्रिया दोहराई जाती है। उन बिंदुओं का संघ जहां चरण परिवर्तन होते हैं और परिणामी वक्रों के बीच चौराहे चरण आरेख के निर्माण की अनुमति देते हैं, जो प्रत्येक क्षेत्र में प्रत्येक वक्र के प्रत्येक तरफ इंगित करते हैं कि कौन सा चरण मौजूद है।

बाइनरी आरेखों का निर्माण

बाइनरी सिस्टम के मामले में, एक सामान्य रूप से परिभाषित दबाव या तापमान पर दो शुद्ध घटकों के साथ शुरू होता है और दूसरे चर (तापमान या दबाव, क्रमशः) को बदलता है, फिर से तापमान या दबाव को ध्यान में रखते हुए जिस पर कुछ चरण परिवर्तन होता है। इन बिंदुओं को ऊर्ध्वाधर अक्षों पर दर्शाया गया है। दाईं ओर वाला एक शुद्ध घटकों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है और बाईं ओर वाला दूसरा।

फिर, दोनों घटकों के मिश्रण को उनके मोल या द्रव्यमान अंश (या उनके प्रतिशत) के रूप में परिभाषित सांद्रता के साथ तैयार किया जाता है। प्रत्येक रचना के लिए (एक्स-अक्ष पर प्लॉट किया गया) फिर से तापमान या दबाव में बदलाव करें और पहले की तरह चरण परिवर्तन पर ध्यान दें।

टर्नरी आरेखों का निर्माण

त्रैमासिक आरेखों की प्रक्रिया आमतौर पर थोड़ी अधिक जटिल होती है। कुछ मामलों में, लक्ष्य उन मिश्रणों को तैयार करना है जो आरेख के एक पक्ष के समानांतर चलते हैं, अन्य मामलों में यह लंबवत रूप से और अन्य मामलों में तिरछे तरीके से किया जाता है। इन दौरों में से प्रत्येक का हासिल करने का अपना विशेष प्रयोगात्मक तरीका है, जिसमें एक निश्चित बाइनरी सिस्टम को तीसरे घटक की बढ़ती मात्रा के साथ मिलाना और इसके विपरीत, अन्य शामिल हैं।

चरण आरेख किसके लिए उपयोग किए जाते हैं?

चरण आरेखों का अनुप्रयोग प्रश्न में विशेष प्रकार के चरण आरेखों पर निर्भर करता है।

शुद्ध पदार्थों के चरण आरेखों की उपयोगिता

शुद्ध पदार्थों के आरेखों के मामले में, चरण आरेख हमें उस चरण के बारे में स्पष्ट जानकारी प्रदान करता है जिसमें सिस्टम दबाव और तापमान के कार्य के रूप में होगा। इसके लिए धन्यवाद, यह हमें उन चरण परिवर्तनों की भविष्यवाणी करने की भी अनुमति देता है जो तब होने चाहिए जब हम एक प्रारंभिक अवस्था से विभिन्न रास्तों के माध्यम से एक प्रणाली को अंतिम अवस्था में ले जाते हैं।

दूसरी ओर, इस प्रकार के चरण आरेख विभिन्न दबावों पर एक शुद्ध पदार्थ के चरण परिवर्तन तापमान (या चरण परिवर्तन बिंदु) की भविष्यवाणी करना भी संभव बनाता है। उदाहरण के लिए, हम स्पष्ट रूप से देख सकते हैं कि दबाव के कार्य के रूप में क्वथनांक और गलनांक कैसे बदलते हैं।

बाइनरी चरण आरेखों की उपयोगिता

द्विआधारी चरण आरेखों के मामले में, ये विभिन्न चरणों, उनके अनुपात और उनकी संरचना के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं जब हम भिन्न होते हैं, या तो दबाव को स्थिर रखते हुए तापमान, या तापमान को स्थिर रखते हुए दबाव। द्वि-आयामी आरेख होने के नाते, आम तौर पर एक साथ चरण परिवर्तनों का निरीक्षण करना संभव नहीं होता है, जिसमें प्रत्येक चरण मौजूद होता है, और इसकी संरचना तापमान और दबाव के कार्य के रूप में होती है। हालांकि, विभिन्न दबावों पर तापमान के एक समारोह के रूप में द्विआधारी चरण आरेखों का निर्माण अप्रत्यक्ष रूप से हमें यह जानकारी प्रदान कर सकता है।

बाइनरी सिस्टम के चरण आरेख हमें विभिन्न चरणों के बीच की बातचीत का अध्ययन करने की अनुमति देते हैं जो दो अलग-अलग रासायनिक पदार्थों के बीच बन सकते हैं। इन चरणों में अलग-अलग राज्यों में दोनों घटकों के शुद्ध चरण शामिल हो सकते हैं (उदाहरण के लिए ठोस और तरल) या दोनों घटकों वाले सजातीय चरण (जैसे मिश्र धातु, समाधान, सह-क्रिस्टल, आदि)।

उपरोक्त के लिए धन्यवाद, बाइनरी चरण आरेख यूटेक्टिक सिस्टम की पहचान की अनुमति देता है, जो बाइनरी सिस्टम हैं जो एक ही तापमान पर पिघलते हैं और जिसका पिघलने बिंदु दो शुद्ध घटकों में से किसी एक से कम है। इसके अलावा, वे इस प्रणाली के पिघलने के तापमान के निर्धारण की अनुमति देते हैं, जिसे यूटेक्टिक बिंदु के रूप में जाना जाता है। यह विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह उच्च शक्ति, कम पिघलने वाली धातु मिश्र धातुओं की पहचान और डिजाइन की अनुमति देता है , उदाहरण के लिए, वेल्डिंग में।

टर्नरी फेज डायग्राम की उपयोगिता

अंत में, त्रैमासिक चरण आरेखों में, एक त्रिकोणीय आरेख का उपयोग एक बिंदु पर एक साथ प्रतिनिधित्व करने में सक्षम होने के लिए किया जाता है जिसमें एक त्रिगुट मिश्रण के तीन घटक पाए जाते हैं। इसका मतलब यह है कि इन आरेखों में हम त्रिगुट प्रणाली में मौजूद चरण (ओं) पर तापमान और दबाव के प्रभाव का निरीक्षण नहीं कर सकते हैं, लेकिन केवल संरचना का प्रभाव।

इसलिए, एक त्रिगुट चरण आरेख मुख्य रूप से यह निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाता है कि एक त्रिगुट प्रणाली कैसे व्यवहार करती है जब किसी एक घटक की सापेक्षिक सांद्रता भिन्न होती है। यह उन प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए उपयोगी है जिनमें विभिन्न विलेय के साथ दो समाधान मिश्रित होते हैं, क्योंकि विलायक और दो विलेय मिश्रण में मौजूद होंगे, इस प्रकार एक त्रिगुट प्रणाली का निर्माण होगा।

एक चरण आरेख के भाग

एक शुद्ध पदार्थ और एक द्विआधारी प्रणाली के लिए एक चरण आरेख के भागों का वर्णन करने के लिए निम्नलिखित आरेखों का उपयोग किया जाता है:

ग्राफ के अक्ष

चरण आरेख के प्रकार के आधार पर, ये दबाव और तापमान का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं (जैसा कि पहले आरेख के मामले में), एक घटक का तिल अंश (दूसरे के रूप में), या दो घटकों का (त्रिज्या आरेख के मामले में) . ).

चरण संतुलन घटता है

वे वक्र हैं जो एक चरण आरेख में एक चरण को दूसरे से अलग करते हैं। एक शुद्ध पदार्थ के उपरोक्त आरेख में AB, BC और BD वक्र सभी चरण संतुलन वक्र के उदाहरण हैं, जैसे कि दूसरे आरेख में AB और AD वक्र हैं।

ट्रिपल अंक

शुद्ध पदार्थों की प्रणालियों में, त्रिगुण बिंदु वह होता है जिसमें कई चरण संतुलन वक्र संयोग करते हैं, इसलिए एक साथ संतुलन में 3 चरण होते हैं। यह पिछले आंकड़े के पहले आरेख में बिंदु बी से मेल खाती है।

महत्वपूर्ण बिंदु

यह पहले आरेख में बिंदु D से मेल खाता है। यह अधिकतम तापमान को इंगित करता है जिस पर एक शुद्ध पदार्थ तरल के रूप में मौजूद हो सकता है। इस तापमान से ऊपर, पदार्थ हमेशा गैसीय होता है और उच्च तापमान और दबावों पर यह सुपरक्रिटिकल द्रव की तरह व्यवहार करता है।

यूटेक्टिक बिंदु

यह पिछली छवि के बाइनरी आरेख में बिंदु ए से मेल खाता है। यह वह बिंदु है जिस पर दोनों चरण एक साथ पिघलकर ठोस अवस्था से सीधे तरल अवस्था में जाते हैं, जिसमें दो मूल ठोस चरणों में से कोई भी मौजूद नहीं होता है। यह बिंदु विचारित बाइनरी सिस्टम के लिए यूटेक्टिक पिघलने के तापमान और यूटेक्टिक संरचना दोनों को चिह्नित करता है।

सभी मिश्रण यूटेक्टिक मिश्रण नहीं बनाते हैं, लेकिन कई, जैसे मिश्र धातु, करते हैं।

संदर्भ

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