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गैस अणुओं का माध्य मुक्त पथ

गैस के अणु बहुत तेज़ हैं, फिर भी गंध धीरे फैलती है, क्योंकि हर अणु बार-बार दूसरों से टकराकर दिशा बदलता है। दो टक्करों के बीच अणु जितनी औसत दूरी तय करता है, वह उसका माध्य मुक्त पथ λ है। व्यास d वाला अणु हर उस अणु से टकराता है जिसका केंद्र उसके रास्ते से d के भीतर आए, यानी वह πd² अनुप्रस्थ काट वाली टक्कर नली बनाता है। इस नली के अणु गिनने पर λ = 1/(√2 n π d²) = k_BT/(√2 π d² P) मिलता है। भीड़ ज़्यादा (n या P बड़ा) या अणु बड़े हों तो λ छोटा; कम दाब और ऊँचे ताप पर λ लंबा। कमरे की हवा में λ लगभग 0.1 माइक्रोमीटर है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. लाल अणु सीधा चलता है, किसी से टकराता है और मुड़ जाता है। टक्कर पर टक्कर, उसका रास्ता टेढ़ा-मेढ़ा (ज़िगज़ैग) बन जाता है।
  2. दो टक्करों के बीच का हर सीधा टुकड़ा एक मुक्त पथ है। इन टुकड़ों का औसत माध्य मुक्त पथ λ है।
  3. लाल अणु के रास्ते के चारों ओर व्यास 2d की एक नली सोचो। जिस अणु का केंद्र इस नली के अंदर है, उससे टक्कर होगी।
  4. भीड़ n दोगुनी करो। नली में दोगुने अणु आते हैं, टक्करें दोगुनी बार होती हैं और λ आधा हो जाता है।
  5. अणुओं को दोगुना चौड़ा करो। नली की अनुप्रस्थ काट πd² चार गुना हो जाती है, इसलिए λ एक-चौथाई। λ = 1/(√2 n π d²)।
  6. अब आप: भीड़ और आकार बदलो। टक्करें और λ देखो।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अणु इतने तेज़ हैं, तो उनका रास्ता सीधा क्यों नहीं?

आसपास बहुत सारे अणु हैं। लगभग 0.1 μm चलते ही वे किसी से टकराकर नई दिशा में उछल जाते हैं, इसलिए रास्ता ज़िगज़ैग बनता है।

क्या हर मुक्त पथ बराबर लंबा है?

नहीं। कुछ टुकड़े छोटे, कुछ लंबे होते हैं। λ बहुत सारे टुकड़ों का औसत है।

नली की त्रिज्या d क्यों है, d/2 क्यों नहीं?

व्यास d के दो गोले तब छूते हैं जब उनके केंद्र d दूर हों। इसलिए रास्ते से d के भीतर कोई भी केंद्र हो तो टक्कर होगी।

√2 कहाँ से आता है?

दूसरे अणु भी चल रहे हैं। दो अणुओं की औसत सापेक्ष चाल एक की चाल का √2 गुना है, इसलिए टक्करें √2 गुना ज़्यादा होती हैं।

नली से हवा निकालने पर λ क्यों बढ़ता है?

हवा निकालने से अणु कम होते हैं, n घटता है। टक्कर नली में कम अणु मतलब कम टक्करें और लंबे मुक्त पथ।

क्या गर्म गैस का माध्य मुक्त पथ हमेशा लंबा होता है?

सिर्फ़ तब जब वह स्थिर दाब पर फैल सके, जिससे n घटे। बंद दृढ़ डिब्बे में n वही, तो λ नहीं बदलता।

माध्य मुक्त पथ क्या है?

गैस के अणु बहुत तेज़ चलते हैं, हवा में लगभग 500 m/s। पर वे अकेले नहीं हैं। हर अणु बार-बार दूसरे अणुओं से टकराता है।

दो टक्करों के बीच अणु जो सीधी दूरी तय करता है, वह मुक्त पथ है। बहुत सारे मुक्त पथों का औसत माध्य मुक्त पथ है, जिसे λ (लैम्डा) लिखते हैं।

कमरे के ताप और दाब पर हवा के लिए λ ≈ 10⁻⁷ m, यानी अणु के आकार का लगभग 300 गुना।

λ = 1/(√2 n π d²) की व्युत्पत्ति

चरण 1: टक्कर नली

हर अणु को व्यास d का गोला मानो। दो अणु तब छूते हैं जब उनके केंद्र d दूर हों। इसलिए हमारा अणु हर उस अणु से टकराता है जिसका केंद्र उसकी गति-रेखा से d के भीतर है। यह त्रिज्या d की नली बनाता है, अनुप्रस्थ काट πd²।

चरण 2: घेरा गया आयतन

समय t में, चाल v̄ से, यह आयतन πd² v̄ t घेरता है।

चरण 3: टक्करों की संख्या

हर m³ में n अणु हों तो टक्करें = n πd² v̄ t।

चरण 4: प्रति टक्कर दूरी

λ = दूरी / टक्करें = v̄ t / (n πd² v̄ t) = 1/(nπd²)।

चरण 5: बाकी अणु भी चलते हैं

दूसरे अणु भी चलते हैं, तो सापेक्ष चाल औसतन √2 गुना होती है। इससे √2 जुड़ता है:

λ = 1 / (√2 n π d²)

n = P/(kBT) रखने पर: λ = kBT / (√2 π d² P)।

माध्य मुक्त पथ किन बातों पर निर्भर है?

गंध धीरे क्यों फैलती है?

इत्र का अणु सैकड़ों m/s से चलता है, पर लगभग 0.1 μm चलते ही टक्कर खाकर नई दिशा में मुड़ जाता है। हर सेकंड अरबों बेतरतीब मोड़ उसे दौड़ने नहीं, भटकने देते हैं। इस धीमे फैलाव को विसरण कहते हैं। हवा के बहाव से गंध आमतौर पर विसरण से तेज़ पहुँचती है।

करके देखो: 3D में और घर पर

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मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. STP पर नाइट्रोजन के लिए n = 2.7 × 10²⁵ m⁻³ और d = 3.0 × 10⁻¹⁰ m है। माध्य मुक्त पथ निकालो।

चरण 1: πd² = 3.14 × 9 × 10⁻²⁰ = 2.83 × 10⁻¹⁹ m²। चरण 2: √2 n πd² = 1.414 × 2.7 × 10²⁵ × 2.83 × 10⁻¹⁹ = 1.08 × 10⁷। चरण 3: λ = 1/1.08 × 10⁷। उत्तर: λ ≈ 9.3 × 10⁻⁸ m (लगभग 93 nm)।

2. 300 K और 1.0 × 10⁵ Pa पर d = 2.0 × 10⁻¹⁰ m वाली गैस का λ निकालो। (k = 1.38 × 10⁻²³ J/K)

चरण 1: kT = 4.14 × 10⁻²¹ J। चरण 2: √2 π d² P = 1.414 × 3.14 × 4 × 10⁻²⁰ × 10⁵ = 1.78 × 10⁻¹⁴। चरण 3: λ = 4.14 × 10⁻²¹ / 1.78 × 10⁻¹⁴। उत्तर: λ ≈ 2.3 × 10⁻⁷ m।

3. 1 atm पर गैस का माध्य मुक्त पथ 100 nm है। उसी ताप पर 0.01 atm पर कितना?

चरण 1: स्थिर T पर λ ∝ 1/P। चरण 2: दाब 100 गुना कम, तो λ 100 गुना। उत्तर: λ = 10⁴ nm = 10 μm।

4. औसत चाल 500 m/s और λ = 1.0 × 10⁻⁷ m। टक्कर आवृत्ति और टक्करों के बीच समय निकालो।

चरण 1: ν = v̄/λ = 500 / 10⁻⁷ = 5 × 10⁹ प्रति सेकंड। चरण 2: τ = 1/ν। उत्तर: ν = 5 × 10⁹ s⁻¹, τ = 2 × 10⁻¹⁰ s।

5. गैस A के अणु गैस B से दोगुने चौड़े हैं। n बराबर है। माध्य मुक्त पथों की तुलना करो।

चरण 1: λ ∝ 1/d²। चरण 2: λ_A/λ_B = (1/2)²। उत्तर: λ_A = λ_B / 4।

6. 300 K और 1.0 × 10⁵ Pa पर प्रति m³ अणुओं की संख्या?

चरण 1: n = P/(kT)। चरण 2: n = 10⁵ / 4.14 × 10⁻²¹। उत्तर: n ≈ 2.4 × 10²⁵ m⁻³।

7. 300 K पर d = 3.0 × 10⁻¹⁰ m वाली गैस को किस दाब तक निकालें कि λ = 1 m हो?

चरण 1: P = kT/(√2 π d² λ)। चरण 2: √2 π d² = 1.414 × 3.14 × 9 × 10⁻²⁰ = 4.0 × 10⁻¹⁹ m²। चरण 3: P = 4.14 × 10⁻²¹ / (4.0 × 10⁻¹⁹ × 1)। उत्तर: P ≈ 1.0 × 10⁻² Pa (अच्छा निर्वात)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. माध्य मुक्त पथ वह औसत दूरी है जो अणु तय करता है:
2. माध्य मुक्त पथ λ =
3. अणुओं का व्यास दोगुना करने पर λ हो जाता है:
4. स्थिर ताप पर दाब घटाने से λ:
5. टक्कर आवृत्ति बराबर है:

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

माध्य मुक्त पथ आसान शब्दों में क्या है?

गैस अणु दो टक्करों के बीच सीधी रेखा में जो औसत दूरी तय करता है, वही माध्य मुक्त पथ है।

माध्य मुक्त पथ का सूत्र क्या है?

λ = 1/(√2 n π d²) = k_B T/(√2 π d² P), जहाँ n प्रति m³ अणु और d अणु का व्यास है।

माध्य मुक्त पथ किन बातों पर निर्भर करता है?

प्रति m³ ज़्यादा अणु और बड़े अणु होने पर घटता है; कम दाब पर और स्थिर दाब पर ऊँचे ताप पर बढ़ता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

सीबीएसई (भारत)कक्षा 11आदर्श गैसों का व्यवहार और गैसों का अणुगति सिद्धांत

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