चरण (पदार्थ)

भौतिक विज्ञान, एक चरण अंतरिक्ष का क्षेत्र (थर्मोडायनामिक प्रणाली) है, जिसके दौरान किसी सामग्री के सभी भौतिक गुण अनिवार्य रूप से एक समान होते हैं।    भौतिक गुणों के उदाहरणों में घनत्व, अपवर्तक सूचकांक, चुंबकीयकरण और रासायनिक संरचना सम्मलित हैं। एक साधारण विवरण यह है, कि एक भौतिक अवस्था वह  क्षेत्र है , जो रासायनिक रूप से समान, शारीरिक रूप से अलग और यांत्रिक रूप से वियोज्य है।  एक कांच के जार में बर्फ और पानी से युक्त एक प्रणाली में, बर्फ के टुकड़े एक अवस्था में होते हैं,  पानी एक दूसरे चरण में होता है, और आर्द्र हवा बर्फ और पानी के ऊपर एक तीसरा चरण होता है। जार का गिलास का एक अलग चरण होता है। (देखो वस्तुस्थिति § काँच)

चरण शब्द का प्रयोग कभी-कभी पदार्थ की अवस्था के पर्याय के रूप में किया जाता है, लेकिन पदार्थ की एक ही अवस्था के कई अमिश्रणीय चरण हो सकते हैं। साथ ही, शब्द चरण का उपयोग कभी-कभी एक चरण आरेख पर चरण सीमा द्वारा दबाव और तापमान जैसे राज्य चर के संदर्भ में सीमांकित साम्यावस्था के एक सेट को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। चूंकि चरण सीमाएं पदार्थ के संगठन में परिवर्तन से संबंधित हैं, जैसे तरल से ठोस में परिवर्तन या एक क्रिस्टल संरचना से दूसरे में अधिक सूक्ष्म परिवर्तन, यह बाद का "चरण" उपयोग द्रव्य की अवस्था के समानार्थी  होता है। हालांकि, पदार्थ और चरण आरेख उपयोग की स्थिति ऊपर दी गई जो की औपचारिक परिभाषा के अनुरूप नहीं है, और जिस संदर्भ में शब्द का उपयोग किया जाता है, उसके संदर्भ में इच्छित अर्थ निर्धारित किया जाना चाहिए।



चरणों के प्रकार
विशिष्ट चरणों को गैस, तरल, ठोस, प्लाज्मा या बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट जैसे पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं के रूप में वर्णित किया जा सकता है। ठोस और तरल रूप के बीच उपयोगी मध्य प्रावस्था पदार्थ की अन्य अवस्थाएँ होती हैं।

पदार्थ में दी गई अवस्था के भीतर अलग-अलग चरण भी सम्मलित हो सकते हैं। जैसा कि लोहे की मिश्र धातुओं के लिए आरेख में दिखाया गया है, ठोस और तरल दोनों अवस्थाओं के लिए कई चरण सम्मलित हैं। ध्रुवीय (हाइड्रोफिलिक) या गैर-ध्रुवीय (हाइड्रोफोबिक) के रूप में घुलनशीलता के आधार पर चरणों को भी विभेदित किया जा सकता है। पानी (एक ध्रुवीय तरल) और तेल (एक गैर-ध्रुवीय तरल) का मिश्रण अनायास दो चरणों में अलग हो जाता।  पानी में तेल की बहुत कम घुलनशीलता (अघुलनशील) होती है, और वैसे ही तेल में पानी की कम घुलनशीलता होती है।घुलनशीलता एक विलेय की अधिकतम मात्रा है जो विलेय के घुलने से पहले एक विलायक में घुल जाती है, और एक अलग चरण में रहती है। एक मिश्रण दो से दो से अधिक तरल चरणों में अलग हो जाती है और चरण पृथक्करण की अवधारणा ठोस पदार्थों तक फैली हुई होती है, ठोस ठोस विलयन बना सकते हैं या विशिष्ट क्रिस्टल चरणों में क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं।  धातु के जोड़े जो परस्पर घुलनशील होते हैं, मिश्र धातु बना सकते हैं, जबकि धातु के जोड़े जो परस्पर अघुलनशील नहीं होते हैं।

जितने अमिश्रणीय द्रव देखे गए हैं। पारस्परिक रूप से अमिश्रणीय तरल चरण पानी (जलीय चरण), हाइड्रोफोबिक कार्बनिक सॉल्वैंट्स, पेरफ्लोरोकार्बन (फ्लोरस चरण), सिलिकोन, कई अलग-अलग धातुओं और पिघले हुए फास्फोरस से भी बनते हैं। सभी कार्बनिक सॉल्वैंट्स पूरी तरह से मिश्रणीय नहीं होते हैं, उदा, एथिलीन ग्लाइकॉल और टोल्यूनि का मिश्रण दो अलग-अलग कार्बनिक चरणों में अलग हो सकता है

चरणों को स्थूलदर्शीयतः रूप से स्वतः अलग करने की आवश्यकता नहीं है। इमल्शन और कोलाइड्स अमिश्रणीय चरण जोड़ी संयोजनों के उदाहरण हैं, जो शारीरिक रूप से अलग नहीं होते हैं।

चरण संतुलन
प्रतितोलन के लिए छोड़ दिया गया, कई संयोजन एक समान एकल चरण का निर्माण करती है, लेकिन तापमान और दबाव के आधार पर एक ही पदार्थ दो या दो से अधिक चरणों में अलग हो जाते है। प्रत्येक चरण के भीतर, गुण समान होते हैं लेकिन दो चरणों के बीच गुण भिन्न होते हैं।

एक बंद जार में पानी जिसके ऊपर से हवा जाने का स्थान होता है, दो-चरण प्रणाली बनाता है। अधिकांश पानी तरल अवस्था में होता है, जहाँ यह पानी के अणुओं के पारस्परिक आकर्षण द्वारा धारण किया जाता है। यहां तक ​​कि संतुलन में भी अणु निरंतर गति में रहते हैं और कभी-कभी द्रव अवस्था में एक अणु पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त कर लेता है। इसी तरह, समय-समय पर एक वाष्प अणु तरल सतह से टकराता है और तरल में संघनित होता है। संतुलन पर, वाष्पीकरण और संघनन प्रक्रिया पूरी तरह से संतुलित होती है और किसी भी चरण की मात्रा में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है।

कमरे के तापमान और दबाव पर, पानी का जार संतुलन तक पहुँच जाता है जब पानी के ऊपर की हवा में लगभग 3% की आर्द्रता होती है, तापमान बढ़ने पर यह प्रतिशत बढ़ता है।100 डिग्री सेल्सियस और वायुमंडलीय दबाव पर, हवा 100% पानी होने तक संतुलन तक नहीं पहुंचती है। यदि तरल को 100 °C से थोड़ा अधिक गर्म किया जाता है, तो तरल से गैस में परिवर्तन न केवल सतह पर बल्कि पूरे तरल आयतन में होगा: पानी उबलता है।

चरणों की संख्या
किसी दी गई संयोजन के लिए, किसी दिए गए तापमान और दबाव पर केवल कुछ चरण ही संभव होते हैं। बनने वाले चरणों की संख्या और प्रकार की भविष्यवाणी करना कठिन है, और सामान्यतः प्रयोग द्वारा निर्धारित किया जाता है। ऐसे प्रयोगों के परिणाम चरण आरेखों में आलेखित किए जा सकते हैं।

यहाँ दिखाया गया है की चरण आरेख एकल घटक प्रणाली के लिए है। इस सरल प्रणाली में, जो चरण संभव हैं, वो केवल दबाव और तापमान पर निर्भर करते हैं। अंकन बिंदु दिखाते हैं की जहां संतुलन दो या दो से अधिक चरण सह-अस्तित्व में हो तो चिह्नों से दूर तापमान और दबावों पर, संतुलन में केवल एक चरण होगा।

आरेख में, तरल और गैस के बीच की सीमा को चिह्नित करने वाली नीली रेखा अनिश्चित काल तक जारी नहीं रहती है, लेकिन एक बिंदु पर समाप्त होती है जिसे महत्वपूर्ण बिंदु कहा जाता है। जैसे-जैसे तापमान और दबाव महत्वपूर्ण बिंदु पर पहुंचते हैं, तरल और गैस के गुण उत्तरोत्तर अधिक समान होते जाते हैं। महत्वपूर्ण बिंदु पर, तरल और गैस अप्रभेद्य हो जाते हैं। महत्वपूर्ण बिंदु से ऊपर, अब अलग-अलग तरल और गैस चरण नहीं हैं: सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के रूप में संदर्भित केवल एक सामान्य द्रव चरण है। पानी में, महत्वपूर्ण बिंदु लगभग   647 केल्विन (374 °C या 705 °F) और 22.064 पास्कल (दबाव) पर होता है।

जल चरण आरेख की एक असामान्य विशेषता यह है कि ठोस-तरल चरण रेखा (बिंदीदार हरी रेखा द्वारा सचित्र) में नकारात्मक ढलान पर होता है। अधिकांश पदार्थों के लिए, ढलान सकारात्मक होता है, जैसा कि गहरे हरे रंग की रेखा द्वारा उदाहरण दिया गया है। पानी की यह असामान्य विशेषता तरल पानी की तुलना में कम घनत्व वाली बर्फ से संबंधित है। दबाव बढ़ाने से पानी उच्च घनत्व वाले चरण में चला जाता है, जो पिघलने के कारण बनता है।

चरण आरेख की असामान्य विशेषता नहीं है, यह एक बिंदु है जहां ठोस-तरल चरण रेखा तरल-गैस चरण रेखा से मिलती है। इन्टरसेक्शन को त्रिगुण बिंदु के रूप में संदर्भित किया जाता है। त्रिगुण बिंदु पर, तीनों चरण सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।

प्रयोगात्मक रूप से, तापमान और दबाव की अन्योन्याश्रितता के कारण चरण रेखाएँ अपेक्षाकृत रूप से आसान हो जाती हैं, जो कई चरणों के बनने पर विकसित होती हैं। गिब्स का चरण नियम बताता है कि विभिन्न चरण पूरी तरह से इन चरों द्वारा निर्धारित होते हैं। पिस्टन से लैस सिलेंडर एक बंद और अच्छी तरह से इन्सुलेटेड सिलेंडर से युक्त एक परीक्षण उपकरण पर विचार करें की,  तापमान और दबाव को नियंत्रित करके, सिस्टम को चरण आरेख पर किसी भी बिंदु पर लाया जा सकता है। ठोस स्थिरता क्षेत्र (आरेख के बाईं ओर) में एक बिंदु से, सिस्टम में  तापमान बढ़ने से यह उस क्षेत्र में आ जाएगा जहां एक तरल या गैस संतुलन चरण (दबाव के आधार पर) है। यदि पिस्टन धीरे-धीरे कम हो जाता है, तो सिस्टम चरण आरेख गैस क्षेत्र के भीतर बढ़ते तापमान और दबाव की वक्र का पता लगाएगा और उस बिंदु पर जहां गैस तरल में संघनित होने लगती है, वहा तापमान और दबाव वक्र की दिशा चरण रेखा के साथ अचानक बदल जाती जब तक कि सारा पानी संघनित न हो जाए।

इंटरफेशियल घटना
संतुलन में दो चरणों के बीच एक संकीर्ण क्षेत्र होता है जहां गुण किसी भी चरण के नहीं होते हैं। हालांकि यह क्षेत्र बहुत क्षीण हो सकता है, इसके महत्वपूर्ण और आसानी से देखे जा सकने वाले प्रभाव हो सकते हैं जिसके कारण सतह दबाव प्रदर्शित होता है। मिश्रण में, कुछ घटक अधिमानतः इंटरफ़ेस की ओर बढ़ सकते हैं। किसी विशेष प्रणाली के व्यवहार को मॉडलिंग, वर्णन या समझने के संदर्भ में, इंटरफेसियल क्षेत्र को एक अलग चरण के रूप में व्यवहार करना प्रभावशाली होता है।

क्रिस्टल चरण
एक सामग्री में कई अलग-अलग ठोस अवस्थाएँ होती हैं, जो अलग-अलग चरण बनाने में सक्षम होते है। पानी ऐसी सामग्री का एक प्रसिद्ध उदाहरण है। उदाहरण के लिए, पानी की बर्फ सामान्यतः हेक्सागोनल रूप में बर्फ Ih में पाई जाती है, लेकिन क्यूबिक आइस आईसी आईसी, समकोण बर्फ II और कई अन्य रूपों के रूप में भी सम्मलित हो सकती है। बहुरूपता (पदार्थ विज्ञान) में एक ठोस से अधिक क्रिस्टल रूप में सम्मलित रहने की क्षमता है। शुद्ध रासायनिक तत्वों के लिए, बहुरूपता को अपररूपता के रूप में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, हीरा, ग्रेफाइट और फुलरीन कार्बन के विभिन्न अपरूप हैं।

चरण संक्रमण
जब कोई पदार्थ एक चरण संक्रमण (पदार्थ की एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तन) से गुजरता है तो यह सामान्यतः या तो ऊर्जा ग्रहण करता है या छोड़ता है। उदाहरण के लिए, जब पानी वाष्पित होता है, गतिज ऊर्जा में वृद्धि के रूप में वाष्पीकरण करने वाले अणु तरल की आकर्षक शक्तियों से बच जाते हैं, तापमान में कमी परिलक्षित होती है। चरण संक्रमण को प्रेरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा पानी की आंतरिक तापीय ऊर्जा से ली जाती है, जो तरल पदार्थ को कम तापमान तक ठंडा करती है; इसलिए वाष्पीकरण शीतलन के लिए उपयोगी होती है। वाष्पीकरण की तापीय धारिता देखें। विपरीत प्रक्रिया, वाष्पीकरण, गर्मी जारी करता है, ठोस से तरल संक्रमण से जुड़ी ऊष्मा ऊर्जा, या तापीय धारिता, संलयन की तापीय धारिता है,  जो ठोस से गैस संक्रमण से जुड़ी होती है, और ऊर्ध्वपातन की तापीय धारिता होती है।

संतुलन से बाहर चरण
जबकि पदार्थ के चरणों को पारंपरिक रूप से थर्मल संतुलन में प्रणालियों के लिए परिभाषित किया गया है, क्वांटम कई-निकाय स्थानीयकरण (एमबीएल) प्रणालियों द्वारा संतुलन से बाहर चरणों को परिभाषित करने के लिए एक रूपरेखा प्रदान की है। एमबीएल चरण कभी भी थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंचते हैं, और स्थानीयकरण संरक्षित क्वांटम ऑर्डर नामक एक घटना के माध्यम से संतुलन में अस्वीकृत आदेश के नए रूपों की अनुमति दे सकते हैं। विभिन्न एमबीएल चरणों के बीच संक्रमण तथा एमबीएल और थर्मलाइजिंग चरणों के बीच नविन गतिशील चरण संक्रमण होते हैं जिनके गुण अनुसंधान क्षेत्र में सक्रिय होते हैं।

बाहरी कड़ियाँ

 * French physicists find a solution that reversibly solidifies with a rise in temperature – α-cyclodextrin, water, and 4-methylpyridine