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आदर्श गैस समीकरण PV = nRT और गैस को दबाने में कार्य

गैस अनगिनत छोटे-छोटे अणुओं से बनी है जो हर तरफ़ भागते रहते हैं। दीवारों पर उनकी टक्कर से दाब बनता है। कम घनत्व वाली गैस के लिए तीन आसान नियम हैं: ताप स्थिर हो तो P × V स्थिर (बॉयल); दाब स्थिर हो तो V केल्विन ताप के साथ बढ़ता है (चार्ल्स); एक जैसे P और T पर बराबर आयतन में बराबर अणु (आवोगाद्रो)। तीनों मिलकर बनते हैं PV = nRT = N k T। एक मोल में 6.022 × 10²³ कण होते हैं, यही आवोगाद्रो संख्या है। पिस्टन को अंदर धकेलने में गैस पर कार्य होता है; यह कार्य P–V ग्राफ़ के नीचे के क्षेत्रफल के बराबर है, और स्थिर ताप पर W = nRT ln(V₁/V₂)।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. बेलन के अंदर गैस के अणु हर दिशा में भाग रहे हैं। पिस्टन पर हर टक्कर एक छोटा धक्का है। सारे धक्के मिलकर दाब P बनाते हैं।
  2. ताप वही रखो और पिस्टन को दबाकर आयतन आधा करो। अणु दोगुनी बार टकराते हैं, इसलिए दाब दोगुना। P × V वही रहता है (बॉयल का नियम)।
  3. दाब वही रखो और गैस को गर्म करो। अणु तेज़ चलते हैं और पिस्टन को बाहर धकेलते हैं। आयतन केल्विन ताप के साथ बढ़ता है (चार्ल्स का नियम)।
  4. उसी P और T पर और गैस डालो: आयतन उसी अनुपात में बढ़ता है। एक मोल = 6.022 × 10²³ अणु। तीनों नियम मिलकर PV = nRT।
  5. गैस को दबाने के लिए बल लगाकर पिस्टन खिसकाना पड़ता है, यानी कार्य करना पड़ता है। यह कार्य P–V वक्र के नीचे का क्षेत्रफल है।
  6. अब आप: मात्रा, ताप और आयतन बदलो। दाब और टक्करों की गिनती देखो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अणु इतने छोटे हैं, फिर गैस का दाब कहाँ से आता है?

हवा के हर घन मीटर में लगभग 10²⁵ अणु हैं। हर टक्कर छोटा धक्का है, पर हर सेकंड अरबों टक्करें मिलकर स्थिर दाब बना देती हैं।

ताप केल्विन में ही क्यों लेना पड़ता है?

गैस का आयतन और दाब केल्विन ताप के अनुपात में बढ़ते हैं, जो परम शून्य से शुरू होता है। °C लेने पर 0 °C पर आयतन शून्य आएगा, जो गलत है।

क्या अलग-अलग गैसों के लिए R अलग है?

नहीं। R = 8.314 J/(mol K) हर आदर्श गैस के लिए एक है, क्योंकि आवोगाद्रो नियम के अनुसार किसी भी गैस का एक मोल एक जैसा व्यवहार करता है।

हवा दबाते समय पंप गर्म क्यों होता है?

आप गैस पर कार्य करते हैं। तेज़ दबाने पर यह ऊर्जा बाहर नहीं निकल पाती और गैस की आंतरिक ऊर्जा व ताप बढ़ा देती है।

कार्य P–V ग्राफ़ के नीचे के क्षेत्रफल के बराबर क्यों है?

हर छोटे दबाव में कार्य P × ΔV है, जो ग्राफ़ पर ऊँचाई P और चौड़ाई ΔV की पतली पट्टी है। सारी पट्टियाँ जोड़ो तो क्षेत्रफल मिलता है।

क्या 1 मोल हाइड्रोजन और 1 मोल ऑक्सीजन बराबर आयतन घेरते हैं?

हाँ, समान P और T पर। दोनों में 6.022 × 10²³ अणु हैं, और आदर्श गैस का आयतन अणुओं की संख्या पर निर्भर है, भार पर नहीं।

गैस क्या है, आसान शब्दों में

गैस बहुत छोटे कणों की भीड़ है, जिन्हें अणु कहते हैं। ये सीधी रेखा में उड़ते हैं, आपस में और दीवारों से टकराते हैं। इनके बीच बहुत खाली जगह होती है।

गैस को चार राशियों से बताते हैं:

तीन गैस नियम

बॉयल का नियम (T स्थिर)

P ∝ 1/V, यानी PV = स्थिर। आयतन आधा, दाब दोगुना। कारण: वही अणु छोटी जगह में दीवार से ज़्यादा बार टकराते हैं।

चार्ल्स का नियम (P स्थिर)

V ∝ T, यानी V/T = स्थिर। T केल्विन में ही लेना है। गर्म अणु तेज़ होते हैं, इसलिए उसी दाब के लिए ज़्यादा जगह चाहिए।

गे-लुसाक (दाब) नियम (V स्थिर)

P ∝ T। बंद डिब्बा गर्म करो तो दाब बढ़ता है।

आवोगाद्रो का नियम

समान P और T पर सभी गैसों के बराबर आयतन में बराबर संख्या में अणु होते हैं। इसलिए V ∝ n।

आदर्श गैस समीकरण PV = nRT

नियमों को जोड़ो: V ∝ nT/P। एक नियतांक R लगाओ तो

PV = nRT

R = 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹ सार्वत्रिक गैस नियतांक है। यह हर गैस के लिए एक ही है।

अणुओं की संख्या N = n NA से दूसरा रूप: PV = N kB T, जहाँ kB = R/NA = 1.38 × 10⁻²³ J/K बोल्ट्ज़मान नियतांक है।

घनत्व ρ और मोलर द्रव्यमान M से: P = ρRT/M।

जो गैस हर P और T पर PV = nRT को ठीक-ठीक माने, वह आदर्श (परिपूर्ण) गैस है। असली गैसें कम दाब और ऊँचे ताप पर इसके क़रीब होती हैं।

आवोगाद्रो संख्या और मोल

किसी भी चीज़ के एक मोल में NA = 6.022 × 10²³ कण होते हैं। यही आवोगाद्रो संख्या है।

गैस को संपीडित करने (दबाने) में कार्य

क्षेत्रफल A वाला पिस्टन गैस के दाब P के विरुद्ध छोटी दूरी Δx अंदर जाए, तो बल F = PA और कार्य F Δx = P A Δx = P ΔV। सारे छोटे टुकड़े जोड़ो:

W = ∫ P dV = P–V ग्राफ़ के नीचे का क्षेत्रफल।

स्थिर दाब पर

W = P (V₁ − V₂)।

स्थिर ताप पर (समतापी)

यहाँ P = nRT/V बदलता रहता है। जोड़ने पर

गैस पर कार्य = nRT ln(V₁/V₂) = 2.303 nRT log₁₀(V₁/V₂)

चिह्न: गैस फैले तो गैस द्वारा कार्य धनात्मक; गैस को दबाओ तो गैस का कार्य ऋणात्मक और आपके द्वारा गैस पर कार्य धनात्मक।

करके देखो: 3D में और घर पर

बोर्ड परीक्षा के लिए ज़रूरी

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक गैस 2 atm पर 6 L घेरती है। उसी ताप पर उसे 3 L तक दबाया गया। नया दाब निकालो।

चरण 1: T स्थिर है, बॉयल: P₁V₁ = P₂V₂। चरण 2: 2 × 6 = P₂ × 3। चरण 3: P₂ = 12/3। उत्तर: P₂ = 4 atm।

2. एक गुब्बारे में 27 °C पर 2.0 L हवा है। उसी दाब पर उसे 177 °C तक गर्म किया। नया आयतन?

चरण 1: केल्विन में: T₁ = 300 K, T₂ = 450 K। चरण 2: चार्ल्स: V₂ = 2.0 × 450/300। उत्तर: V₂ = 3.0 L।

3. 8 g ऑक्सीजन (O₂, M = 32 g/mol) में कितने अणु हैं?

चरण 1: n = 8/32 = 0.25 mol। चरण 2: N = n N_A = 0.25 × 6.022 × 10²³। उत्तर: N ≈ 1.51 × 10²³ अणु।

4. 0.05 m³ के बर्तन में 300 K पर 2 mol आदर्श गैस का दाब निकालो। (R = 8.31 J/mol K)

चरण 1: P = nRT/V। चरण 2: P = 2 × 8.31 × 300 / 0.05 = 4986 / 0.05। उत्तर: P ≈ 9.97 × 10⁴ Pa (लगभग 1 atm)।

5. टायर में 27 °C पर हवा का दाब 2.0 × 10⁵ Pa है। यात्रा के बाद हवा 57 °C की हो गई, आयतन वही। नया दाब?

चरण 1: V स्थिर, इसलिए P/T स्थिर। चरण 2: T₁ = 300 K, T₂ = 330 K। चरण 3: P₂ = 2.0 × 10⁵ × 330/300। उत्तर: P₂ = 2.2 × 10⁵ Pa।

6. 1.0 × 10⁵ Pa और 280 K पर नाइट्रोजन (M = 28 g/mol) का घनत्व निकालो।

चरण 1: ρ = PM/(RT)। चरण 2: M = 0.028 kg/mol। चरण 3: ρ = 1.0 × 10⁵ × 0.028 / (8.31 × 280) = 2800 / 2326.8। उत्तर: ρ ≈ 1.20 kg/m³।

7. 300 K पर 1 mol आदर्श गैस को स्थिर ताप पर धीरे-धीरे 20 L से 10 L तक दबाया गया। गैस पर किया गया कार्य? (ln 2 = 0.693)

चरण 1: समतापी, इसलिए गैस पर कार्य = nRT ln(V₁/V₂)। चरण 2: = 1 × 8.314 × 300 × ln 2। चरण 3: = 2494.2 × 0.693। उत्तर: W ≈ 1.73 × 10³ J गैस पर (गैस का कार्य −1.73 kJ)।

8. 1.0 × 10⁵ Pa के स्थिर दाब पर गैस को 3.0 L से 1.0 L तक दबाया गया। गैस पर कार्य?

चरण 1: W = P (V₁ − V₂)। चरण 2: ΔV = 2.0 L = 2.0 × 10⁻³ m³। चरण 3: W = 1.0 × 10⁵ × 2.0 × 10⁻³। उत्तर: W = 200 J।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. PV = nRT में R का मान लगभग है:
2. स्थिर ताप पर गैस का आयतन आधा करने पर दाब:
3. आवोगाद्रो संख्या है:
4. गैस को दबाने में किया गया कार्य बराबर है:
5. असली गैसें आदर्श गैस जैसी सबसे ज़्यादा कब होती हैं?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

आदर्श गैस समीकरण क्या है?

PV = nRT, जहाँ P दाब, V आयतन, n मोल, R = 8.314 J/(mol K) और T केल्विन में ताप।

आवोगाद्रो संख्या का मान क्या है?

N_A = 6.022 × 10²³ कण प्रति मोल।

समतापी संपीडन में कार्य का सूत्र क्या है?

W = nRT ln(V₁/V₂) = 2.303 nRT log₁₀(V₁/V₂), जब V₂ < V₁ हो तो यह गैस पर किया गया कार्य है।

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