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IGNOU BPHCT-135 Solved Question Paper PDF

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IGNOU BPHCT-135 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. किन्हीं पाँच भागों के उत्तर दीजिए : (क) ऊष्मागतिकी का शून्यवा कोटि नियम लिखिये और इसकी भौतिक सार्थकता बताइए । (ख) CO2 के लिए एन्ड्रयू वक्रों को खींचिए। (ग) मैक्सवेलियन गैस के लिए $\bar{v}, v_{rms}$ तथा $v_p$ के व्यंजक लिखिए | (घ) एन्थैल्पी और हेल््महोल्ट्ज ऊर्जा के व्यंजक लिखिए। (ड) आदर्श गैस एवं वाण्डर वाल्स गैस के लिए $C_p – C_v$ का व्यंजक लिखिए । (च) जूल-टॉमसन प्रभाव का कथन लिखिए। जूल-टॉमसन गुणांक का व्यंजक लिखिए । (छ) कृष्ण विकिरण के लिए स्पेक्ट्रमी ऊर्जा घनत्व का तरंगदैर्ध्य के सापेक्ष तीन अलग-अलग तापमानों ($T_1 > T_2 > T_3$) पर आरेख खींचिए। (ज) एन्ट्रॉपी और प्रायिकता के बीच बोल्ट्जमान सम्बन्ध को लिखिए। इस सम्बन्ध की सार्थकता क्या है ?
Ans.
(क) ऊष्मागतिकी का शून्यवाँ कोटि नियम:
यह नियम कहता है कि “यदि दो निकाय, A और B, एक तीसरे निकाय C के साथ अलग-अलग तापीय साम्यावस्था में हैं, तो निकाय A और B भी एक दूसरे के साथ तापीय साम्यावस्था में होंगे।”
भौतिक सार्थकता: इस नियम की मुख्य सार्थकता यह है कि यह तापमान (temperature) की अवधारणा को एक मौलिक और मापने योग्य भौतिक राशि के रूप में स्थापित करता है। यह नियम बताता है कि तापीय साम्यावस्था में सभी निकायों का एक गुण समान होता है, जिसे हम तापमान कहते हैं। इसी सिद्धांत पर थर्मामीटर काम करते हैं।
(ख) CO2 के लिए एन्ड्रयू के वक्र:
CO2 के लिए एन्ड्रयू के वक्र दाब (P) और आयतन (V) के बीच विभिन्न स्थिर तापमानों पर खींचे गए समतापीय वक्र हैं।
वक्र में:
- $T_c$ क्रांतिक तापमान है। इस तापमान से ऊपर, गैस को केवल दाब बढ़ाकर द्रवित नहीं किया जा सकता है।
- $T_c$ से नीचे के तापमान पर, वक्र का क्षैतिज भाग गैस और द्रव प्रावस्थाओं के सह-अस्तित्व को दर्शाता है।
- बिंदु P क्रांतिक बिंदु है, जहाँ द्रव और गैस प्रावस्थाओं के बीच कोई अंतर नहीं रह जाता है।
(ग) मैक्सवेलियन गैस के लिए वेग:
एक मैक्सवेलियन गैस (आदर्श गैस) में अणुओं के वेग के लिए व्यंजक निम्नलिखित हैं, जहाँ k बोल्ट्जमान नियतांक है, T परम तापमान है, और m गैस के एक अणु का द्रव्यमान है।
- सर्वाधिक प्रायिक चाल ($v_p$): $v_p = \sqrt{\frac{2kT}{m}}$
- औसत चाल ($\bar{v}$): $\bar{v} = \sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}$
- वर्ग-माध्य-मूल चाल ($v_{rms}$): $v_{rms} = \sqrt{\frac{3kT}{m}}$
(घ) एन्थैल्पी और हेल्महोल्ट्ज़ ऊर्जा:
ये ऊष्मागतिक विभव हैं जिनके व्यंजक इस प्रकार हैं:
- एन्थैल्पी (H): इसे ऊष्मा अंश भी कहते हैं। यह किसी निकाय की कुल ऊर्जा का माप है। इसका व्यंजक है: $H = U + PV$ जहाँ U आंतरिक ऊर्जा, P दाब, और V आयतन है।
- हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा (F): यह स्थिर तापमान और आयतन पर किसी निकाय द्वारा किए जा सकने वाले उपयोगी कार्य का माप है। इसका व्यंजक है: $F = U – TS$ जहाँ U आंतरिक ऊर्जा, T तापमान, और S एन्ट्रॉपी है।
(ड) आदर्श गैस एवं वाण्डर वाल्स गैस के लिए $C_p – C_v$:
- आदर्श गैस के लिए: मेयर के सूत्र के अनुसार, एक आदर्श गैस के लिए स्थिर दाब पर मोलर विशिष्ट ऊष्मा ($C_p$) और स्थिर आयतन पर मोलर विशिष्ट ऊष्मा ($C_v$) का अंतर गैस नियतांक (R) के बराबर होता है। $C_p – C_v = R$
- वाण्डर वाल्स गैस के लिए: एक वास्तविक गैस के लिए, जो वाण्डर वाल्स समीकरण का पालन करती है, यह अंतर केवल R नहीं होता, बल्कि अंतर-आणविक आकर्षण बलों पर भी निर्भर करता है। $C_p – C_v = R \left(1 + \frac{2a}{RTV}\right)$ जहाँ ‘a’ वाण्डर वाल्स नियतांक है जो अंतर-आणविक आकर्षण को दर्शाता है, T तापमान और V मोलर आयतन है।
(च) जूल-टॉमसन प्रभाव:
कथन: जब किसी गैस को उच्च दाब क्षेत्र से एक सरंध्र प्लग (porous plug) या छोटे छिद्र के माध्यम से निम्न दाब क्षेत्र में रुद्धोष्म रूप से प्रसारित होने दिया जाता है, तो गैस के तापमान में परिवर्तन होता है। इस प्रभाव को जूल-टॉमसन प्रभाव कहते हैं।
जूल-टॉमसन गुणांक ($\mu_{JT}$): यह स्थिर एन्थैल्पी पर दाब के साथ तापमान में परिवर्तन की दर है।
$\mu_{JT} = \left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_H$
यदि $\mu_{JT}$ धनात्मक है, तो प्रसरण पर शीतलन होता है; यदि यह ऋणात्मक है, तो तापन होता है। (छ) कृष्णिका विकिरण आरेख:
कृष्णिका के लिए स्पेक्ट्रमी ऊर्जा घनत्व ($\rho_\lambda$) का तरंगदैर्ध्य ($\lambda$) के साथ विभिन्न तापमानों ($T_1 > T_2 > T_3$) पर आरेख नीचे दिया गया है।
आरेख से मुख्य निष्कर्ष:
- तापमान बढ़ने पर, प्रत्येक तरंगदैर्ध्य पर उत्सर्जित ऊर्जा बढ़ती है।
- जिस तरंगदैर्ध्य ($\lambda_m$) पर अधिकतम ऊर्जा उत्सर्जित होती है, वह तापमान बढ़ने पर कम तरंगदैर्ध्य की ओर विस्थापित हो जाती है (वीन का विस्थापन नियम)।
- वक्र के नीचे का कुल क्षेत्रफल (कुल उत्सर्जित ऊर्जा) तापमान की चौथी घात के समानुपाती होता है (स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम)।
(ज) बोल्ट्जमान का एन्ट्रॉपी-प्रायिकता सम्बन्ध:
एन्ट्रॉपी (S) और ऊष्मागतिक प्रायिकता (W) के बीच बोल्ट्जमान सम्बन्ध इस प्रकार है:
$S = k_B \ln W$
जहाँ S निकाय की एन्ट्रॉपी है, $k_B$ बोल्ट्जमान नियतांक है, और W उस स्थूल-अवस्था (macrostate) के संगत सूक्ष्म-अवस्थाओं (microstates) की संख्या है।
सार्थकता: यह समीकरण ऊष्मागतिकी (एक स्थूल सिद्धांत) और सांख्यिकीय यांत्रिकी (एक सूक्ष्म सिद्धांत) के बीच एक fondamental सेतु है। यह एन्ट्रॉपी को एक भौतिक व्याख्या देता है: एन्ट्रॉपी किसी निकाय की अव्यवस्था (disorder) या यादृच्छिकता (randomness) का एक माप है। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम, जो कहता है कि एक विलगित निकाय की एन्ट्रॉपी हमेशा बढ़ती है, का अर्थ है कि निकाय स्वाभाविक रूप से अधिक प्रायिक या अधिक अव्यवस्थित अवस्था की ओर बढ़ता है।
Q2. किन्हीं दो भागों के उत्तर दीजिए : (क) मुक्त पथों के बंटन के लिए अतिजीविता समीकरण का व्यंजक प्राप्त कीजिए | (ख) श्यानता गुणांक की परिभाषा लिखिए। श्यानता पर तापमान एवं दाब के प्रभाव की चर्चा कीजिए। (ग) सिद्ध कीजिए कि अवसादन ब्राउनी गति का उदाहरण है। दैनिक जीवन में इसकी उपयोगिता के बारे में समझाइए।
Ans.
(क) मुक्त पथों के बंटन के लिए अतिजीविता समीकरण:
एक गैस में, एक अणु दो क्रमिक टक्करों के बीच एक सीधी रेखा में चलता है। इस दूरी को मुक्त पथ कहते हैं। अतिजीविता समीकरण उस प्रायिकता को बताता है कि एक अणु बिना किसी टक्कर के कम से कम x दूरी तय करेगा।
मान लीजिए $\lambda$ माध्य मुक्त पथ है। इसका मतलब है कि एक अणु के इकाई दूरी तय करने पर टक्कर की प्रायिकता $1/\lambda$ है।
अब, मान लीजिए कि $P(x)$ एक अणु के बिना टक्कर के x दूरी तय करने की प्रायिकता है। तब, अणु द्वारा अगली छोटी दूरी dx में टक्कर करने की प्रायिकता $(dx/\lambda)$ होगी।
अतः, x+dx दूरी बिना टक्कर के तय करने की प्रायिकता, x दूरी बिना टक्कर के तय करने और फिर dx दूरी भी बिना टक्कर के तय करने की प्रायिकता का गुणनफल है।
$P(x+dx) = P(x) \times (1 – \frac{dx}{\lambda})$
$P(x+dx) – P(x) = -P(x) \frac{dx}{\lambda}$
$dP(x) = -P(x) \frac{dx}{\lambda}$
$\frac{dP(x)}{P(x)} = -\frac{dx}{\lambda}$
इस समीकरण का समाकलन करने पर:
$\int_{P(0)}^{P(x)} \frac{dP(x)}{P(x)} = -\int_0^x \frac{dx}{\lambda}$
चूंकि $x=0$ पर बिना टक्कर के यात्रा करने की प्रायिकता 1 है, अर्थात $P(0)=1$।
$[\ln P(x)]_1^{P(x)} = -[x/\lambda]_0^x$
$\ln P(x) – \ln 1 = -x/\lambda$
$\ln P(x) = -x/\lambda$
$P(x) = e^{-x/\lambda}$
यह अतिजीविता समीकरण है। यदि प्रारंभ में $N_0$ अणु हों, तो x दूरी के बाद बिना टक्कर के बचे हुए अणुओं की संख्या $N(x)$ होगी:
$N(x) = N_0 e^{-x/\lambda}$
यह समीकरण मुक्त पथों के चरघातांकी बंटन को दर्शाता है।
(ख) श्यानता गुणांक और उस पर ताप एवं दाब का प्रभाव:
परिभाषा: श्यानता गुणांक ($\eta$) किसी तरल (द्रव या गैस) के प्रवाह के प्रति आंतरिक प्रतिरोध का माप है। न्यूटन के श्यानता नियम के अनुसार, तरल की दो समानांतर परतों के बीच लगने वाला स्पर्शीय प्रतिबल (बल प्रति इकाई क्षेत्रफल), वेग प्रवणता ($dv/dz$) के समानुपाती होता है।
$F/A = -\eta \frac{dv}{dz}$
यहाँ, श्यानता गुणांक ($\eta$) को उस स्पर्शीय बल प्रति इकाई क्षेत्रफल के रूप में परिभाषित किया जाता है जो तरल में इकाई वेग प्रवणता बनाए रखने के लिए आवश्यक होता है। इसका SI मात्रक पास्कल-सेकंड (Pa.s) है।
तापमान का प्रभाव:
- गैसों में: तापमान बढ़ने पर गैसों की श्यानता बढ़ती है। गैसों में श्यानता संवेग के स्थानांतरण के कारण होती है। उच्च तापमान पर, अणु तेजी से चलते हैं, जिससे संवेग का स्थानांतरण अधिक प्रभावी ढंग से होता है, और श्यानता बढ़ जाती है। गतिज सिद्धांत के अनुसार, $\eta \propto \sqrt{T}$।
- द्रवों में: तापमान बढ़ने पर द्रवों की श्यानता तेजी से घटती है। द्रवों में श्यानता मुख्य रूप से अंतर-आणविक ससंजक बलों के कारण होती है। तापमान बढ़ने पर, अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है, जिससे वे इन बलों पर काबू पा लेते हैं और अधिक आसानी से एक दूसरे पर फिसल सकते हैं, जिससे श्यानता कम हो जाती है।
दाब का प्रभाव:
- गैसों में: सामान्य दाब पर, गैसों की श्यानता दाब से लगभग स्वतंत्र होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि दाब बढ़ने से घनत्व (टक्करों की संख्या) बढ़ता है, लेकिन माध्य मुक्त पथ घट जाता है, और ये दोनों प्रभाव एक दूसरे को लगभग रद्द कर देते हैं। बहुत उच्च या बहुत निम्न दाब पर यह निर्भरता देखी जा सकती है।
- द्रवों में: द्रवों की श्यानता दाब बढ़ाने पर थोड़ी बढ़ती है। उच्च दाब अणुओं को एक साथ करीब लाता है, जिससे अंतर-आणविक बल मजबूत होते हैं और प्रवाह के प्रति प्रतिरोध बढ़ जाता है।
(ग) अवसादन, ब्राउनी गति और इसकी उपयोगिता:
अवसादन ब्राउनी गति का उदाहरण:
ब्राउनी गति किसी तरल में निलंबित सूक्ष्म कणों की यादृच्छिक, टेढ़ी-मेढ़ी गति है। यह गति तरल के अणुओं द्वारा कणों पर होने वाली असंतुलित और निरंतर टक्करों के कारण होती है।
अवसादन (Sedimentation) गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में कणों के नीचे बैठने की प्रक्रिया है।
जब सूक्ष्म कणों को किसी तरल में निलंबित किया जाता है, तो उन पर दो मुख्य बल कार्य करते हैं:
- नीचे की ओर गुरुत्वाकर्षण बल, जो उन्हें नीचे बैठाने की कोशिश करता है।
- तरल अणुओं की यादृच्छिक टक्करों (ब्राउनी गति) के कारण ऊपर की ओर एक प्रभावी बल, जो उन्हें निलंबित रखने की कोशिश करता है।
इन दो विरोधी प्रभावों के बीच एक संतुलन स्थापित हो जाता है। परिणामस्वरूप, कण पूरी तरह से नीचे नहीं बैठते हैं, बल्कि एक ऊर्ध्वाधर सांद्रता प्रवणता बनाते हैं, जिसमें कणों का घनत्व ऊंचाई के साथ घटता जाता है। यह संतुलन सीधे तौर पर ब्राउनी गति के अस्तित्व को प्रदर्शित करता है जो गुरुत्वाकर्षण के व्यवस्थित प्रभाव का प्रतिकार करती है। जीन पेरिन ने इस संतुलन का अध्ययन करके आवोगाद्रो संख्या का मान सफलतापूर्वक निर्धारित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि अवसादन वास्तव में ब्राउनी गति का एक स्थूल प्रकटीकरण है।
दैनिक जीवन में उपयोगिता:
- औषधि और जैव रसायन: अल्ट्रासेंट्रीफ्यूज का उपयोग करके विभिन्न आणविक भार वाले मैक्रोमोलेक्यूल्स (जैसे प्रोटीन, डीएनए) को अलग करने के लिए अवसादन सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है।
- पर्यावरण विज्ञान: वायु और जल में प्रदूषकों (जैसे धूल, कालिख, तलछट) के वितरण और जमाव को समझने में यह महत्वपूर्ण है।
- खाद्य उद्योग: दूध से क्रीम का अलग होना या फलों के रस में गूदे का जमना अवसादन के उदाहरण हैं।
- कोलाइडल रसायन: पेंट, स्याही और अन्य कोलाइडल विलयनों की स्थिरता को समझने में मदद करता है, जहाँ ब्राउनी गति कणों को जमने से रोकती है।
Q3. किन्हीं दो भागों के उत्तर दीजिए : (क) ऊष्मागतिक तंत्र के लिए अवस्था समीकरण व्युत्पन्न कीजिए। मान लीजिए कि आयतन, दाब और तापमान का फलन है। dV=0 एवं dT ≠ 0 इन प्रतिबंधों के लिए, सिद्ध कीजिए कि ऊष्मागतिक चर निम्नलिखित सम्बन्ध द्वारा जुड़े होते हैं : $(\frac{\partial P}{\partial T})_V (\frac{\partial T}{\partial V})_P (\frac{\partial V}{\partial P})_T = -1$ (ख) 1g जल और भाप के आयतन सामान्य वायुमंडलीय दाब पर 1 cm³ तथा 1671 cm³ क्रमश: होते हैं। जल के 100°C ताप पर वाष्पीकरण के लिए आन्तरिक ऊर्जा में परिवर्तन परिकलित कीजिए। भाप की गुप्त ऊर्जा 540 cal/g तथा J = 4.2 J/cal लीजिए। (ग) ध्वनि के वेग का लाप्लास सूत्र प्राप्त कीजिए।
Ans.
(क) ऊष्मागतिक चरों के बीच संबंध की व्युत्पत्ति:
किसी ऊष्मागतिक तंत्र के लिए, दाब (P), आयतन (V), और तापमान (T) अवस्था के चर होते हैं, और वे एक अवस्था समीकरण द्वारा संबंधित होते हैं, जिसे सामान्य रूप से $f(P, V, T) = 0$ के रूप में लिखा जा सकता है। इसका मतलब है कि हम किसी भी एक चर को अन्य दो के फलन के रूप में व्यक्त कर सकते हैं।
आइए मान लें कि आयतन, दाब और तापमान का एक फलन है: $V = V(P, T)$।
इसका अवकलज लेने पर:
$dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T dP + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$ … (1)
इसी प्रकार, हम दाब को आयतन और तापमान का फलन मान सकते हैं: $P = P(V, T)$।
इसका अवकलज लेने पर:
$dP = \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT$ … (2)
अब, समीकरण (2) से $dP$ का मान समीकरण (1) में प्रतिस्थापित करने पर:
$dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left[ \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT \right] + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$
पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर:
$dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$
चूंकि $\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = 1 / \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T$, पहला पद $dV$ हो जाता है।
$dV = dV + \left[ \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P \right] dT$
$0 = \left[ \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P \right] dT$
प्रश्न में दिए गए प्रतिबंध $dT \neq 0$ के लिए, कोष्ठक के अंदर का पद शून्य होना चाहिए:
$\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P = 0$
$\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V = – \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P$
पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर, और यह ध्यान में रखते हुए कि $(\frac{\partial V}{\partial T})_P = 1 / (\frac{\partial T}{\partial V})_P$ :
$\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V \frac{1}{(\frac{\partial T}{\partial V})_P} \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = -1$
अतः, हमें चक्रीय संबंध प्राप्त होता है:
$\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V \left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_P \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = -1$
प्रतिबंध $dV=0$ यह इंगित करता है कि हम एक सम-आयतनिक प्रक्रिया पर विचार कर रहे हैं, जिसमें $(\partial P / \partial T)_V$ एक महत्वपूर्ण भौतिक राशि है।
(ख) आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना:
दिया गया है:
- जल का द्रव्यमान, $m = 1$ g
- प्रारंभिक आयतन (जल का), $V_1 = 1 \text{ cm}^3 = 1 \times 10^{-6} \text{ m}^3$
- अंतिम आयतन (भाप का), $V_2 = 1671 \text{ cm}^3 = 1671 \times 10^{-6} \text{ m}^3$
- दाब, $P =$ सामान्य वायुमंडलीय दाब $= 1.013 \times 10^5 \text{ N/m}^2$ (Pa)
- भाप की गुप्त ऊष्मा, $L = 540 \text{ cal/g}$
- यांत्रिक तुल्यांक, $J = 4.2 \text{ J/cal}$
1. अवशोषित ऊष्मा (Q) की गणना:
1 ग्राम जल को 100°C पर भाप में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा:
$Q = m \times L = 1 \text{ g} \times 540 \text{ cal/g} = 540 \text{ cal}$
इसे जूल में बदलने पर:
$Q = 540 \text{ cal} \times 4.2 \text{ J/cal} = 2268 \text{ J}$
2. किए गए कार्य (W) की गणना:
वाष्पीकरण एक स्थिर दाब प्रक्रिया है। अतः, निकाय द्वारा किया गया कार्य:
$W = P \times (V_2 – V_1)$
$W = (1.013 \times 10^5 \text{ N/m}^2) \times (1671 \times 10^{-6} – 1 \times 10^{-6}) \text{ m}^3$
$W = (1.013 \times 10^5) \times (1670 \times 10^{-6}) \text{ J}$
$W = 1.013 \times 1.670 \times 10^2 \text{ J} = 169.171 \text{ J}$
3. आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन ($\Delta U$) की गणना:
ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार:
$\Delta U = Q – W$
$\Delta U = 2268 \text{ J} – 169.171 \text{ J}$
$\Delta U = 2098.829 \text{ J}$
अतः, जल के वाष्पीकरण के लिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन 2098.83 J है। (ग) ध्वनि के वेग का लाप्लास सूत्र:
ध्वनि तरंगें किसी माध्यम में संपीडन और विरलन के रूप में प्रसारित होती हैं। ध्वनि का वेग माध्यम के प्रत्यास्थता गुणांक (B) और घनत्व ($\rho$) पर निर्भर करता है: $v = \sqrt{B/\rho}$।
न्यूटन की धारणा: न्यूटन ने माना कि ध्वनि का संचरण एक धीमी, समतापीय प्रक्रिया है, क्योंकि संपीडन में उत्पन्न ऊष्मा परिवेश में फैल जाती है और विरलन में हुई ठंडक परिवेश से ऊष्मा लेकर पूरी हो जाती है।
इस स्थिति में, प्रत्यास्थता गुणांक समतापीय आयतन प्रत्यास्थता गुणांक ($B_T$) होगा।
एक आदर्श गैस के लिए, समतापीय प्रक्रिया में $PV = \text{नियतांक}$।
अवकलन करने पर: $P dV + V dP = 0 \implies P = -V \frac{dP}{dV}$
चूंकि $B_T = -V (\frac{\partial P}{\partial V})_T$, हमें $B_T = P$ मिलता है।
अतः, न्यूटन का सूत्र: $v = \sqrt{\frac{P}{\rho}}$। यह सूत्र प्रायोगिक मानों से लगभग 16% कम मान देता है।
लाप्लास का संशोधन: लाप्लास ने तर्क दिया कि ध्वनि तरंगों का संचरण बहुत तेज होता है। संपीडन और विरलन इतनी तेजी से होते हैं कि ऊष्मा के आदान-प्रदान के लिए पर्याप्त समय नहीं मिलता है। इसलिए, यह प्रक्रिया रुद्धोष्म है, न कि समतापीय।
इस स्थिति में, प्रत्यास्थता गुणांक रुद्धोष्म आयतन प्रत्यास्थता गुणांक ($B_S$) होगा।
एक आदर्श गैस के लिए, रुद्धोष्म प्रक्रिया में $PV^\gamma = \text{नियतांक}$, जहाँ $\gamma = C_p/C_v$ है।
अवकलन करने पर: $P(\gamma V^{\gamma-1} dV) + V^\gamma dP = 0$
$V^{\gamma-1}$ से भाग देने पर: $P\gamma dV + V dP = 0 \implies \gamma P = -V \frac{dP}{dV}$
चूंकि $B_S = -V (\frac{\partial P}{\partial V})_S$, हमें $B_S = \gamma P$ मिलता है।
इस मान को वेग के सूत्र में रखने पर, हमें लाप्लास का सूत्र प्राप्त होता है:
$v = \sqrt{\frac{B_S}{\rho}} = \sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}}$
यह संशोधित सूत्र प्रायोगिक मानों के साथ बहुत अच्छी तरह से मेल खाता है।
Q4. जब किसी पदार्थ की दो प्रावस्थाएँ अचर तापमान तथा दाब पर साम्यावस्था में होती हैं, तो उनकी विशिष्ट गिब्स मुक्त ऊर्जा समान होती है। इस तथ्य का उपयोग करके क्लासियस-क्लैपेरॉन समीकरण व्युत्पन्न कीजिए । (अथवा) कार्नो चक्र का सूचक आरेख खींचिए। कार्नो इंजन द्वारा एक चक्र में किए गए, कार्य का व्यंजक प्राप्त कीजिए और अतएव इसकी दक्षता प्राप्त कीजिए ।
Ans.
क्लासियस-क्लैपेरॉन समीकरण की व्युत्पत्ति
जब किसी पदार्थ की दो प्रावस्थाएँ (जैसे द्रव और वाष्प) स्थिर तापमान T और स्थिर दाब P पर तापीय साम्यावस्था में होती हैं, तो उनकी प्रति इकाई द्रव्यमान (विशिष्ट) गिब्स मुक्त ऊर्जाएँ बराबर होती हैं।
मान लीजिए प्रावस्था 1 (जैसे, द्रव) और प्रावस्था 2 (जैसे, वाष्प) के लिए विशिष्ट गिब्स मुक्त ऊर्जाएँ क्रमशः $g_1$ और $g_2$ हैं।
साम्यावस्था में: $g_1 = g_2$ … (1)
अब, यदि हम तापमान को $T$ से $T+dT$ और दाब को $P$ से $P+dP$ में थोड़ा बदलते हैं, जबकि निकाय साम्यावस्था में बना रहता है, तो नई गिब्स मुक्त ऊर्जाएँ भी बराबर होंगी:
$g_1 + dg_1 = g_2 + dg_2$
समीकरण (1) का उपयोग करके, हमें मिलता है: $dg_1 = dg_2$ … (2)
ऊष्मागतिकी के मौलिक संबंध से, गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन का व्यंजक है:
$dG = V dP – S dT$
प्रति इकाई द्रव्यमान (विशिष्ट मात्रा) के लिए, यह बन जाता है:
$dg = v dP – s dT$
जहाँ $v$ विशिष्ट आयतन और $s$ विशिष्ट एन्ट्रॉपी है।
अब, समीकरण (2) में $dg_1$ और $dg_2$ के लिए इस व्यंजक का उपयोग करने पर:
$v_1 dP – s_1 dT = v_2 dP – s_2 dT$
पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर:
$(s_2 – s_1) dT = (v_2 – v_1) dP$
इसे पुनर्व्यवस्थित करके दाब-तापमान वक्र का ढलान प्राप्त होता है:
$\frac{dP}{dT} = \frac{s_2 – s_1}{v_2 – v_1}$ … (3)
एक प्रावस्था संक्रमण के दौरान, जो एक उत्क्रमणीय, समतापी प्रक्रिया है, एन्ट्रॉपी में परिवर्तन $\Delta s = s_2 – s_1$ को गुप्त ऊष्मा (L) और तापमान (T) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:
$\Delta s = \frac{L}{T}$
जहाँ L प्रति इकाई द्रव्यमान गुप्त ऊष्मा है।
इस मान को समीकरण (3) में प्रतिस्थापित करने पर:
$\frac{dP}{dT} = \frac{L}{T(v_2 – v_1)}$
यह क्लासियस-क्लैपेरॉन समीकरण है। यह प्रावस्था संक्रमण वक्र (जैसे, क्वथनांक वक्र) के ढलान को पदार्थ के ऊष्मागतिक गुणों (गुप्त ऊष्मा, आयतन परिवर्तन) से जोड़ता है।
अथवा
कार्नो चक्र
कार्नो चक्र एक आदर्श, उत्क्रमणीय ऊष्मागतिक चक्र है जो एक ऊष्मा इंजन के लिए अधिकतम संभव दक्षता प्रदान करता है। इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:
1. सूचक आरेख:
कार्नो चक्र का P-V सूचक आरेख नीचे दिखाया गया है:
- प्रक्रम 1 → 2 (समतापी प्रसरण): कार्यकारी पदार्थ (आदर्श गैस) ऊष्मा स्रोत ($T_1$) के संपर्क में है और $Q_1$ ऊष्मा अवशोषित करता है, जिससे इसका आयतन $V_1$ से $V_2$ तक बढ़ जाता है।
- प्रक्रम 2 → 3 (रुद्धोष्म प्रसरण): गैस को विसंवाहित किया जाता है और यह रुद्धोष्म रूप से प्रसारित होती है, जिससे इसका तापमान $T_1$ से $T_2$ तक गिर जाता है और आयतन $V_2$ से $V_3$ हो जाता है।
- प्रक्रम 3 → 4 (समतापी संपीडन): गैस को ऊष्मा सिंक ($T_2$) के संपर्क में लाया जाता है और इसे संपीडित किया जाता है, जिससे यह $Q_2$ ऊष्मा को सिंक में निष्कासित करती है। आयतन $V_3$ से $V_4$ हो जाता है।
- प्रक्रम 4 → 1 (रुद्धोष्म संपीडन): गैस को फिर से विसंवाहित किया जाता है और रुद्धोष्म रूप से संपीडित किया जाता है, जिससे इसका तापमान वापस $T_1$ हो जाता है और यह अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौट आती है।
2. किए गए कार्य का व्यंजक:
एक चक्र में किया गया कुल कार्य चारों प्रक्रमों में किए गए कार्यों का योग है।
$W_{1\to2}$ (समतापी प्रसरण) = $nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) = Q_1$
$W_{2\to3}$ (रुद्धोष्म प्रसरण) = $\frac{nR}{\gamma-1}(T_1 – T_2)$
$W_{3\to4}$ (समतापी संपीडन) = $nRT_2 \ln\left(\frac{V_4}{V_3}\right) = -nRT_2 \ln\left(\frac{V_3}{V_4}\right)$
$W_{4\to1}$ (रुद्धोष्म संपीडन) = $\frac{nR}{\gamma-1}(T_2 – T_1) = -W_{2\to3}$
कुल कार्य $W_{net} = W_{1\to2} + W_{2\to3} + W_{3\to4} + W_{4\to1}$। रुद्धोष्म कार्यों के पद एक दूसरे को निरस्त कर देते हैं।
$W_{net} = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) + nRT_2 \ln\left(\frac{V_4}{V_3}\right)$
रुद्धोष्म प्रक्रमों (2→3 और 4→1) के लिए, हमारे पास है:
$T_1 V_2^{\gamma-1} = T_2 V_3^{\gamma-1}$ और $T_1 V_1^{\gamma-1} = T_2 V_4^{\gamma-1}$
इन समीकरणों को विभाजित करने पर: $\left(\frac{V_2}{V_1}\right)^{\gamma-1} = \left(\frac{V_3}{V_4}\right)^{\gamma-1} \implies \frac{V_2}{V_1} = \frac{V_3}{V_4}$
इस संबंध का उपयोग करके, हम कार्य के व्यंजक को सरल कर सकते हैं:
$W_{net} = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) – nRT_2 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$
$W_{net} = nR(T_1 – T_2) \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$
3. दक्षता ($\eta$):
इंजन की दक्षता को किए गए कुल कार्य और स्रोत से अवशोषित ऊष्मा के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।
$\eta = \frac{\text{कुल किया गया कार्य}}{\text{अवशोषित ऊष्मा}} = \frac{W_{net}}{Q_1}$
हम जानते हैं कि $Q_1 = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$।
$\eta = \frac{nR(T_1 – T_2) \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}{nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}$
$\eta = \frac{T_1 – T_2}{T_1} = 1 – \frac{T_2}{T_1}$
यह कार्नो इंजन की दक्षता का व्यंजक है, जो केवल स्रोत और सिंक के परम तापमान पर निर्भर करती है।
Q5. निम्नलिखित दिए गए ऊष्मागतिकी प्रायिकता के व्यंजक : $W[N_i] = \prod_i \frac{(N_i+g_i-1)!}{N_i!(g_i-1)!}$ से शुरुआत कर बोस-आइन्स्टीन बंटन फलन का व्यंजक प्राप्त कीजिए । (अथवा) फर्मी ऊर्जा को परिभाषित कीजिए। इसका व्यंजक प्राप्त कीजिए। तांबे के लिए फर्मी ऊर्जा का मान प्राप्त कीजिए : (दिया गया है : $n = 8.53 \times 10^{28}$ इलेक्ट्रॉन प्रति $m^3$, $m_e = 9.1 \times 10^{-31}$ kg और $h = 6.62 \times 10^{-34}$ Js)
Ans.
बोस-आइन्स्टीन बंटन फलन की व्युत्पत्ति
बोस-आइन्स्टीन सांख्यिकी उन कणों (बोसॉन) पर लागू होती है जो अविभेद्य होते हैं और पाउली के अपवर्जन सिद्धांत का पालन नहीं करते हैं, जिसका अर्थ है कि एक ही क्वांटम अवस्था में एक से अधिक कण रह सकते हैं।
$i$-वें ऊर्जा स्तर, जिसकी ऊर्जा $\epsilon_i$ और अपभ्रष्टता $g_i$ है, में $N_i$ कणों को वितरित करने के तरीकों की संख्या (ऊष्मागतिक प्रायिकता) दी गई है:
$W = \prod_i \frac{(N_i+g_i-1)!}{N_i!(g_i-1)!}$
हम सबसे प्रायिक वितरण खोजना चाहते हैं, जो $W$ को अधिकतम करता है। $W$ के बजाय $\ln W$ को अधिकतम करना गणितीय रूप से आसान है।
$\ln W = \sum_i [\ln(N_i+g_i-1)! – \ln N_i! – \ln(g_i-1)!]$
स्टर्लिंग के सन्निकटन ($\ln x! \approx x \ln x – x$) का उपयोग करने पर, और यह मानते हुए कि $N_i$ और $g_i \gg 1$ हैं, ताकि $g_i-1 \approx g_i$ और $N_i+g_i-1 \approx N_i+g_i$ हो।
$\ln W \approx \sum_i [ (N_i+g_i)\ln(N_i+g_i) – (N_i+g_i) – (N_i\ln N_i – N_i) – (g_i\ln g_i – g_i) ]$
$\ln W \approx \sum_i [ (N_i+g_i)\ln(N_i+g_i) – N_i\ln N_i – g_i\ln g_i ]$
अधिकतम प्रायिकता के लिए, $\delta(\ln W)=0$, निम्नलिखित दो शर्तों के अधीन:
1. कणों की कुल संख्या स्थिर है: $N = \sum N_i \implies \delta N = \sum \delta N_i = 0$ 2. कुल ऊर्जा स्थिर है: $U = \sum N_i \epsilon_i \implies \delta U = \sum \epsilon_i \delta N_i = 0$
लैगरेंज के अनिर्धारित गुणकों की विधि का उपयोग करने पर:
$\delta(\ln W) – \alpha \sum \delta N_i – \beta \sum \epsilon_i \delta N_i = 0$
$\sum_i \left[ \frac{\partial(\ln W)}{\partial N_i} – \alpha – \beta\epsilon_i \right] \delta N_i = 0$
$\ln W$ का $N_i$ के सापेक्ष अवकलन करने पर:
$\frac{\partial(\ln W)}{\partial N_i} = [\ln(N_i+g_i) + \frac{N_i+g_i}{N_i+g_i}] – [\ln N_i + \frac{N_i}{N_i}] = \ln(N_i+g_i) – \ln N_i = \ln\left(\frac{N_i+g_i}{N_i}\right)$
इसे लैगरेंज समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर:
$\ln\left(\frac{N_i+g_i}{N_i}\right) – \alpha – \beta\epsilon_i = 0$
$\ln\left(1 + \frac{g_i}{N_i}\right) = \alpha + \beta\epsilon_i$
$1 + \frac{g_i}{N_i} = e^{\alpha + \beta\epsilon_i}$
$\frac{g_i}{N_i} = e^{\alpha + \beta\epsilon_i} – 1$
बोस-आइन्स्टीन बंटन फलन, $f_{BE}(\epsilon_i)$, को ऊर्जा स्तर $i$ में प्रति क्वांटम अवस्था कणों की औसत संख्या के रूप में परिभाषित किया गया है, अर्थात $f_{BE}(\epsilon_i) = N_i/g_i$।
$f_{BE}(\epsilon_i) = \frac{N_i}{g_i} = \frac{1}{e^{\alpha + \beta\epsilon_i} – 1}$
जहाँ $\beta = 1/k_B T$ और $\alpha = -\mu/k_B T$ ( $\mu$ रासायनिक विभव है)।
अतः, बोस-आइन्स्टीन बंटन फलन है:
$f_{BE}(\epsilon) = \frac{1}{e^{(\epsilon – \mu)/k_B T} – 1}$
अथवा
फर्मी ऊर्जा और इसकी गणना
परिभाषा: फर्मी ऊर्जा ($E_F$) को परम शून्य तापमान (0 K) पर फर्मीऑन (जैसे किसी धातु में इलेक्ट्रॉन) के एक निकाय में सबसे उच्चतम भरी हुई क्वांटम अवस्था की ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है। परम शून्य पर, फर्मी ऊर्जा से नीचे की सभी ऊर्जा अवस्थाएँ भरी होती हैं और इससे ऊपर की सभी अवस्थाएँ खाली होती हैं।
व्यंजक की व्युत्पत्ति:
एक आयतन V में N मुक्त इलेक्ट्रॉनों के एक निकाय पर विचार करें। संवेग $p$ और $p+dp$ के बीच क्वांटम अवस्थाओं की संख्या, स्पिन (2 अवस्थाएँ) को ध्यान में रखते हुए, दी जाती है:
$g(p)dp = \frac{2V}{h^3} (4\pi p^2 dp)$
परम शून्य तापमान (T=0 K) पर, पाउली के अपवर्जन सिद्धांत के अनुसार, इलेक्ट्रॉन सबसे कम उपलब्ध ऊर्जा स्तरों को भरते हैं। सभी स्तर फर्मी संवेग $p_F$ तक भर जाते हैं।
अतः, इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या N है:
$N = \int_0^{p_F} g(p) dp = \int_0^{p_F} \frac{8\pi V}{h^3} p^2 dp$
$N = \frac{8\pi V}{h^3} \left[ \frac{p^3}{3} \right]_0^{p_F} = \frac{8\pi V}{3h^3} p_F^3$
$p_F$ के लिए पुनर्व्यवस्थित करने पर:
$p_F^3 = \frac{3N h^3}{8\pi V} \implies p_F = h \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{1/3}$
जहाँ $n=N/V$ इलेक्ट्रॉन घनत्व है।
फर्मी ऊर्जा $E_F$ फर्मी संवेग $p_F$ के संगत गतिज ऊर्जा है:
$E_F = \frac{p_F^2}{2m_e} = \frac{1}{2m_e} \left[ h \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{1/3} \right]^2$
$E_F = \frac{h^2}{2m_e} \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{2/3}$
यह फर्मी ऊर्जा का व्यंजक है।
तांबे (Copper) के लिए फर्मी ऊर्जा की गणना:
दिया गया है:
- इलेक्ट्रॉन घनत्व, $n = 8.53 \times 10^{28} \text{ m}^{-3}$
- इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान, $m_e = 9.1 \times 10^{-31} \text{ kg}$
- प्लांक नियतांक, $h = 6.62 \times 10^{-34} \text{ Js}$
मानों को फर्मी ऊर्जा के व्यंजक में रखने पर:
$E_F = \frac{(6.62 \times 10^{-34})^2}{2 \times 9.1 \times 10^{-31}} \left( \frac{3 \times 8.53 \times 10^{28}}{8\pi} \right)^{2/3}$
$E_F = \frac{43.8244 \times 10^{-68}}{18.2 \times 10^{-31}} \left( \frac{25.59 \times 10^{28}}{25.133} \right)^{2/3}$
$E_F = (2.4079 \times 10^{-37}) \times (1.0182 \times 10^{28})^{2/3}$
$E_F = (2.4079 \times 10^{-37}) \times (4.70 \times 10^{18})$
$E_F = 11.32 \times 10^{-19} \text{ J}$
ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन-वोल्ट (eV) में बदलने के लिए, हम इसे $1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}$ से विभाजित करते हैं:
$E_F (\text{eV}) = \frac{11.32 \times 10^{-19} \text{ J}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}} \approx 7.07 \text{ eV}$
अतः, तांबे के लिए फर्मी ऊर्जा का मान लगभग 7.07 eV है।
IGNOU BPHCT-135 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. Attempt any five parts: (a) Write Zeroth Law of Thermodynamics and state its physical significance. (b) Draw Andrew’s curves for CO2. (c) Write the expressions for $\bar{v}, v_{rms}$ and $v_p$ for a Maxwellian gas. (d) Write the expressions for enthalpy and Helmholtz energy. (e) Write the expression for $C_p – C_v$ for an ideal gas and a van der Waals’ gas. (f) State Joule-Thomson effect. Write the expression for Joule-Thomson coefficient. (g) Plot spectral energy density of a black body with wavelength at three different temperatures ($T_1 > T_2 > T_3$). (h) Write the Boltzmann relation between entropy and probability. What is its significance?
Ans. (a) Zeroth Law of Thermodynamics: The law states that “If two systems, A and B, are separately in thermal equilibrium with a third system, C, then systems A and B are also in thermal equilibrium with each other.” Physical Significance: The primary significance of this law is that it introduces the concept of temperature as a fundamental and measurable property of matter. It implies that all bodies in thermal equilibrium share a common property, which we call temperature. This principle is the basis for the functioning of thermometers.
(b) Andrew’s Curves for CO2: Andrew’s curves for CO2 are isotherms plotted on a Pressure-Volume (P-V) diagram at different constant temperatures.
In the curves:
- $T_c$ is the critical temperature . Above this temperature, the gas cannot be liquefied by increasing pressure alone.
- Below $T_c$, the horizontal part of the curve represents the co-existence of the gas and liquid phases.
- Point P is the critical point , where the distinction between the liquid and gas phases vanishes.
(c) Velocities for a Maxwellian Gas: For a Maxwellian gas (an ideal gas), the expressions for the speeds of its molecules are as follows, where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and m is the mass of one molecule.
- Most probable speed ($v_p$): $v_p = \sqrt{\frac{2kT}{m}}$
- Average speed ($\bar{v}$): $\bar{v} = \sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}$
- Root-mean-square speed ($v_{rms}$): $v_{rms} = \sqrt{\frac{3kT}{m}}$
(d) Enthalpy and Helmholtz Energy: These are thermodynamic potentials with the following expressions:
- Enthalpy (H): Also known as heat content, it is a measure of the total energy of a system. Its expression is: $H = U + PV$ where U is the internal energy, P is the pressure, and V is the volume.
- Helmholtz Free Energy (F): It is a measure of the useful work obtainable from a closed system at constant temperature and volume. Its expression is: $F = U – TS$ where U is the internal energy, T is the temperature, and S is the entropy.
(e) Expression for $C_p – C_v$:
- For an Ideal Gas: According to Mayer’s relation, the difference between the molar specific heat at constant pressure ($C_p$) and molar specific heat at constant volume ($C_v$) for an ideal gas is equal to the universal gas constant (R). $C_p – C_v = R$
- For a van der Waals’ Gas: For a real gas that obeys the van der Waals’ equation, this difference is not just R but also depends on the intermolecular forces of attraction. $C_p – C_v \approx R \left(1 + \frac{2a}{RTV}\right)$ where ‘a’ is the van der Waals constant representing intermolecular attraction, T is the temperature, and V is the molar volume.
(f) Joule-Thomson Effect: Statement: When a gas is allowed to expand adiabatically from a region of high pressure to a region of low pressure through a porous plug or a small aperture, a change in its temperature is observed. This phenomenon is called the Joule-Thomson effect . Joule-Thomson Coefficient ($\mu_{JT}$): It is the rate of change of temperature with pressure at constant enthalpy. $\mu_{JT} = \left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_H$ If $\mu_{JT}$ is positive, cooling occurs upon expansion; if it is negative, heating occurs.
(g) Black Body Radiation Plot: The plot of spectral energy density ($\rho_\lambda$) versus wavelength ($\lambda$) for a black body at three different temperatures ($T_1 > T_2 > T_3$) is shown below.
Key observations from the plot:
- As temperature increases, the energy emitted at every wavelength increases.
- The wavelength ($\lambda_m$) at which the maximum energy is emitted shifts to shorter wavelengths as temperature increases (Wien’s Displacement Law).
- The total area under the curve (total energy radiated) is proportional to the fourth power of the temperature (Stefan-Boltzmann Law).
(h) Boltzmann Relation between Entropy and Probability: The Boltzmann relation between entropy (S) and thermodynamic probability (W) is given by: $S = k_B \ln W$ where S is the entropy of the system, $k_B$ is the Boltzmann constant, and W is the number of microstates corresponding to that macrostate. Significance: This equation forms a fundamental bridge between thermodynamics (a macroscopic theory) and statistical mechanics (a microscopic theory). It provides a physical interpretation of entropy: entropy is a measure of the disorder or randomness of a system. The Second Law of Thermodynamics, which states that the entropy of an isolated system always increases, implies that a system naturally evolves towards a more probable or more disordered state.
Q2. Answer any two parts: (a) Obtain an expression for survival equation for distribution of free paths. (b) Define coefficient of viscosity. Discuss the effect of temperature and pressure on viscosity. (c) Show that sedimentation is an example of Brownian motion. Discuss its utility in daily life.
Ans. (a) Survival Equation for Distribution of Free Paths: In a gas, a molecule moves in a straight line between two successive collisions. This distance is called a free path. The survival equation gives the probability that a molecule will travel a distance x without suffering a collision. Let $\lambda$ be the mean free path. This means the probability of a molecule having a collision while traveling a unit distance is $1/\lambda$. Let $P(x)$ be the probability that a molecule travels a distance x without a collision. The probability that this molecule will collide in the next small distance dx is $(dx/\lambda)$. Therefore, the probability of surviving a distance x+dx without a collision is the product of the probability of surviving distance x and the probability of not colliding in dx . $P(x+dx) = P(x) \times (1 – \frac{dx}{\lambda})$ $P(x+dx) – P(x) = -P(x) \frac{dx}{\lambda}$ $dP(x) = -P(x) \frac{dx}{\lambda}$ $\frac{dP(x)}{P(x)} = -\frac{dx}{\lambda}$ Integrating this equation: $\int_{P(0)}^{P(x)} \frac{dP(x)}{P(x)} = -\int_0^x \frac{dx}{\lambda}$ The probability of traveling a distance $x=0$ without collision is 1, so $P(0)=1$. $[\ln P(x)]_1^{P(x)} = -[x/\lambda]_0^x$ $\ln P(x) – \ln 1 = -x/\lambda$ $\ln P(x) = -x/\lambda$ $P(x) = e^{-x/\lambda}$ This is the survival equation . If we start with $N_0$ molecules, the number of molecules $N(x)$ that have not had a collision after traveling a distance x is: $N(x) = N_0 e^{-x/\lambda}$ This equation shows that the distribution of free paths is exponential.
(b) Coefficient of Viscosity and Effect of Temperature and Pressure: Definition: The coefficient of viscosity ($\eta$) is a measure of a fluid’s (liquid or gas) internal resistance to flow. According to Newton’s law of viscosity, the tangential stress (force per unit area) between two parallel layers of a fluid is proportional to the velocity gradient ($dv/dz$). $F/A = -\eta \frac{dv}{dz}$ Here, the coefficient of viscosity ($\eta$) is defined as the tangential force per unit area required to maintain a unit velocity gradient in the fluid. Its SI unit is the Pascal-second (Pa.s). Effect of Temperature:
- In Gases: The viscosity of gases increases with increasing temperature. Viscosity in gases arises from the transfer of momentum. At higher temperatures, molecules move faster, leading to more effective momentum transfer and thus higher viscosity. According to kinetic theory, $\eta \propto \sqrt{T}$.
- In Liquids: The viscosity of liquids decreases sharply with increasing temperature. Viscosity in liquids is primarily due to intermolecular cohesive forces. As temperature increases, the kinetic energy of molecules increases, allowing them to overcome these forces and slide past each other more easily, thus reducing viscosity.
Effect of Pressure:
- In Gases: At moderate pressures, the viscosity of a gas is almost independent of pressure. This is because an increase in pressure increases the density (number of collisions), but it decreases the mean free path, and these two effects nearly cancel each other out. A dependence is observed at very high or very low pressures.
- In Liquids: The viscosity of liquids increases slightly with an increase in pressure. High pressure forces molecules closer together, strengthening intermolecular forces and increasing the resistance to flow.
(c) Sedimentation, Brownian Motion, and its Utility: Sedimentation as an example of Brownian motion: Brownian motion is the random, erratic movement of microscopic particles suspended in a fluid. This motion is caused by the continuous and unbalanced bombardment of the particles by the molecules of the fluid. Sedimentation is the process of particles settling down under the influence of gravity. When microscopic particles are suspended in a fluid, two main forces act on them:
- A downward gravitational force, which tends to make them settle.
- An effective upward force due to the random collisions from the fluid molecules (Brownian motion), which tends to keep them suspended.
An equilibrium is established between these two opposing effects. As a result, the particles do not settle completely but form a vertical concentration gradient, with the density of particles decreasing with height. This equilibrium is a direct demonstration of the existence of Brownian motion, which counteracts the systematic effect of gravity. Jean Perrin’s successful determination of Avogadro’s number by studying this equilibrium proved that sedimentation is indeed a macroscopic manifestation of Brownian motion.
Utility in daily life:
- Medicine and Biochemistry: Sedimentation principles are used to separate macromolecules of different molecular weights (like proteins, DNA) using an ultracentrifuge.
- Environmental Science: It is crucial for understanding the distribution and deposition of pollutants (like dust, soot, silt) in the air and water.
- Food Industry: The separation of cream from milk or the settling of pulp in fruit juices are examples of sedimentation.
- Colloidal Chemistry: It helps in understanding the stability of paints, inks, and other colloidal solutions, where Brownian motion prevents the particles from settling out.
Q3. Answer any two parts: (a) Derive equation of state for a thermodynamic system assuming volume as a function of pressure and temperature. Imposing the condition dV=0 and dT≠0, prove that the thermodynamic variables are connected through a relation : $(\frac{\partial P}{\partial T})_V (\frac{\partial T}{\partial V})_P (\frac{\partial V}{\partial P})_T = -1$ (b) 1 g of water and steam at normal atmospheric pressure occupy 1 cm³ and 1671 cm³ volume, respectively. Calculate the change in internal energy for vaporisation of water at 100°C. Take latent heat of steam as 540 cal/g and J = 4.2 J/cal. (c) Obtain Laplace’s formula for speed of sound.
Ans. (a) Derivation of the Relation between Thermodynamic Variables: For a thermodynamic system, the state variables Pressure (P), Volume (V), and Temperature (T) are connected by an equation of state, which can be generally written as $f(P, V, T) = 0$. This means we can express any one variable as a function of the other two. Let us assume volume is a function of pressure and temperature: $V = V(P, T)$. The total differential is: $dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T dP + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$ … (1) Similarly, we can consider pressure as a function of volume and temperature: $P = P(V, T)$. The total differential is: $dP = \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT$ … (2) Now, substitute the expression for $dP$ from equation (2) into equation (1): $dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left[ \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT \right] + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$ Rearranging the terms: $dV = \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T dV + \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dT + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dT$ Since $\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = 1 / \left(\frac{\partial P}{\partial V}\right)_T$, the first term becomes $dV$. $dV = dV + \left[ \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P \right] dT$ $0 = \left[ \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P \right] dT$ For the given condition $dT \neq 0$, the term inside the bracket must be zero: $\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P = 0$ $\left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V = – \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P$ Rearranging the terms, and noting that $(\frac{\partial V}{\partial T})_P = 1 / (\frac{\partial T}{\partial V})_P$ : $\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V \frac{1}{(\frac{\partial T}{\partial V})_P} \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = -1$ Thus, we get the cyclic relation: $\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V \left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_P \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right)_T = -1$ The condition $dV=0$ indicates we are considering an isochoric process, for which $(\partial P / \partial T)_V$ is an important physical quantity.
(b) Calculation of Change in Internal Energy: Given:
- Mass of water, $m = 1$ g
- Initial volume (of water), $V_1 = 1 \text{ cm}^3 = 1 \times 10^{-6} \text{ m}^3$
- Final volume (of steam), $V_2 = 1671 \text{ cm}^3 = 1671 \times 10^{-6} \text{ m}^3$
- Pressure, $P =$ normal atmospheric pressure $= 1.013 \times 10^5 \text{ N/m}^2$ (Pa)
- Latent heat of steam, $L = 540 \text{ cal/g}$
- Mechanical equivalent of heat, $J = 4.2 \text{ J/cal}$
1. Calculate the heat absorbed (Q):
The heat required to convert 1g of water at 100°C to steam:
$Q = m \times L = 1 \text{ g} \times 540 \text{ cal/g} = 540 \text{ cal}$
Converting this to Joules:
$Q = 540 \text{ cal} \times 4.2 \text{ J/cal} = 2268 \text{ J}$
2. Calculate the work done (W):
Vaporization is a constant pressure process. Thus, the work done by the system is:
$W = P \times (V_2 – V_1)$
$W = (1.013 \times 10^5 \text{ N/m}^2) \times (1671 \times 10^{-6} – 1 \times 10^{-6}) \text{ m}^3$
$W = (1.013 \times 10^5) \times (1670 \times 10^{-6}) \text{ J}$
$W = 1.013 \times 1.670 \times 10^2 \text{ J} = 169.171 \text{ J}$
3. Calculate the change in internal energy ($\Delta U$):
According to the First Law of Thermodynamics:
$\Delta U = Q – W$
$\Delta U = 2268 \text{ J} – 169.171 \text{ J}$
$\Delta U = 2098.829 \text{ J}$
Therefore, the change in internal energy for the vaporisation of water is
2098.83 J
.
(c) Laplace’s Formula for Speed of Sound: Sound waves propagate through a medium as compressions and rarefactions. The speed of sound depends on the modulus of elasticity (B) and the density ($\rho$) of the medium: $v = \sqrt{B/\rho}$. Newton’s Assumption: Newton assumed that the propagation of sound is a slow, isothermal process , because the heat generated during compression dissipates into the surroundings and the cooling during rarefaction is compensated by heat from the surroundings. In this case, the modulus of elasticity is the isothermal bulk modulus ($B_T$). For an ideal gas, $PV = \text{constant}$ in an isothermal process. Differentiating: $P dV + V dP = 0 \implies P = -V \frac{dP}{dV}$ Since $B_T = -V (\frac{\partial P}{\partial V})_T$, we get $B_T = P$. Hence, Newton’s formula: $v = \sqrt{\frac{P}{\rho}}$. This formula gives a value about 16% lower than experimental values. Laplace’s Correction: Laplace argued that the propagation of sound waves is very fast. The compressions and rarefactions occur so rapidly that there is not enough time for heat exchange to take place. Therefore, the process is adiabatic , not isothermal. In this case, the modulus of elasticity is the adiabatic bulk modulus ($B_S$). For an ideal gas, $PV^\gamma = \text{constant}$ in an adiabatic process, where $\gamma = C_p/C_v$. Differentiating: $P(\gamma V^{\gamma-1} dV) + V^\gamma dP = 0$ Dividing by $V^{\gamma-1}$: $P\gamma dV + V dP = 0 \implies \gamma P = -V \frac{dP}{dV}$ Since $B_S = -V (\frac{\partial P}{\partial V})_S$, we get $B_S = \gamma P$. Substituting this value into the speed formula gives Laplace’s formula : $v = \sqrt{\frac{B_S}{\rho}} = \sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}}$ This corrected formula agrees very well with experimental values.
Q4. When two phases of a substance coexist in equilibrium at constant temperature and pressure, their specific Gibbs’ free energies are equal. Using this fact, obtain Clausius-Clapeyron equation. (OR) Draw the indicator diagram of a Carnot cycle. Obtain the expression for the work done during one cycle of Carnot engine and hence deduce its efficiency.
Ans. Derivation of the Clausius-Clapeyron Equation When two phases of a substance (e.g., liquid and vapor) are in thermal equilibrium at a constant temperature T and pressure P, their specific Gibbs free energies (Gibbs free energy per unit mass) are equal. Let $g_1$ and $g_2$ be the specific Gibbs free energies for phase 1 (e.g., liquid) and phase 2 (e.g., vapor) respectively. At equilibrium: $g_1 = g_2$ … (1) Now, if we slightly change the temperature from T to T+dT and pressure from P to P+dP, such that the system remains in equilibrium, the new Gibbs free energies will also be equal: $g_1 + dg_1 = g_2 + dg_2$ Using equation (1), this implies: $dg_1 = dg_2$ … (2) From the fundamental thermodynamic relation, the expression for a change in Gibbs free energy is: $dG = V dP – S dT$ For specific quantities (per unit mass), this becomes: $dg = v dP – s dT$ where $v$ is the specific volume and $s$ is the specific entropy. Using this expression for $dg_1$ and $dg_2$ in equation (2): $v_1 dP – s_1 dT = v_2 dP – s_2 dT$ Rearranging the terms: $(s_2 – s_1) dT = (v_2 – v_1) dP$ This can be rearranged to give the slope of the pressure-temperature curve: $\frac{dP}{dT} = \frac{s_2 – s_1}{v_2 – v_1}$ … (3) During a phase transition, which is a reversible, isothermal process, the change in entropy $\Delta s = s_2 – s_1$ can be expressed in terms of the latent heat (L) and temperature (T): $\Delta s = \frac{L}{T}$ where L is the specific latent heat. Substituting this value into equation (3): $\frac{dP}{dT} = \frac{L}{T(v_2 – v_1)}$ This is the Clausius-Clapeyron equation . It relates the slope of the phase transition curve (e.g., boiling point curve) to the thermodynamic properties of the substance (latent heat, change in volume).
OR
Carnot Cycle
The Carnot cycle is an ideal, reversible thermodynamic cycle that provides the maximum possible efficiency for a heat engine. It consists of four processes:
1. Indicator Diagram:
The P-V indicator diagram for a Carnot cycle is shown below:

- Process 1 → 2 (Isothermal Expansion): The working substance (an ideal gas) is in contact with a heat source at $T_1$ and absorbs heat $Q_1$, causing it to expand from volume $V_1$ to $V_2$.
- Process 2 → 3 (Adiabatic Expansion): The gas is insulated and expands adiabatically, causing its temperature to drop from $T_1$ to $T_2$ and its volume to increase from $V_2$ to $V_3$.
- Process 3 → 4 (Isothermal Compression): The gas is brought into contact with a heat sink at $T_2$ and is compressed, causing it to reject heat $Q_2$ to the sink. The volume decreases from $V_3$ to $V_4$.
- Process 4 → 1 (Adiabatic Compression): The gas is insulated again and compressed adiabatically, raising its temperature back to $T_1$ and returning it to its initial state.
2. Expression for Work Done:
The net work done in one cycle is the sum of the work done in the four processes.
$W_{1\to2}$ (Isothermal Expansion) = $nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) = Q_1$
$W_{2\to3}$ (Adiabatic Expansion) = $\frac{nR}{\gamma-1}(T_1 – T_2)$
$W_{3\to4}$ (Isothermal Compression) = $nRT_2 \ln\left(\frac{V_4}{V_3}\right) = -nRT_2 \ln\left(\frac{V_3}{V_4}\right)$
$W_{4\to1}$ (Adiabatic Compression) = $\frac{nR}{\gamma-1}(T_2 – T_1) = -W_{2\to3}$
The net work $W_{net} = W_{1\to2} + W_{2\to3} + W_{3\to4} + W_{4\to1}$. The adiabatic work terms cancel each other out.
$W_{net} = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) + nRT_2 \ln\left(\frac{V_4}{V_3}\right)$
For the adiabatic processes (2→3 and 4→1), we have:
$T_1 V_2^{\gamma-1} = T_2 V_3^{\gamma-1}$ and $T_1 V_1^{\gamma-1} = T_2 V_4^{\gamma-1}$
Dividing these equations gives: $\left(\frac{V_2}{V_1}\right)^{\gamma-1} = \left(\frac{V_3}{V_4}\right)^{\gamma-1} \implies \frac{V_2}{V_1} = \frac{V_3}{V_4}$
Using this relation, we can simplify the expression for work:
$W_{net} = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right) – nRT_2 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$
$W_{net} = nR(T_1 – T_2) \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$
3. Efficiency ($\eta$):
The efficiency of an engine is defined as the ratio of the net work done to the heat absorbed from the source.
$\eta = \frac{\text{Net Work Done}}{\text{Heat Input}} = \frac{W_{net}}{Q_1}$
We know that $Q_1 = nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$.
$\eta = \frac{nR(T_1 – T_2) \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}{nRT_1 \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}$
$\eta = \frac{T_1 – T_2}{T_1} = 1 – \frac{T_2}{T_1}$
This is the expression for the efficiency of a Carnot engine, which depends only on the absolute temperatures of the source and the sink.
Q5. Starting from the expression for thermodynamic probability given by: $W[N_i] = \prod_i \frac{(N_i+g_i-1)!}{N_i!(g_i-1)!}$ obtain the expression for Bose-Einstein distribution function. (OR) Define Fermi energy. Obtain its expression. Calculate the value of Fermi energy for copper. (Given that: $n = 8.53 \times 10^{28}$ electrons per $m^3$, $m_e = 9.1 \times 10^{-31}$ kg and $h = 6.62 \times 10^{-34}$ Js)
Ans. Derivation of Bose-Einstein Distribution Function Bose-Einstein statistics applies to particles (bosons) that are indistinguishable and do not obey the Pauli exclusion principle, meaning more than one particle can occupy the same quantum state. The number of ways (thermodynamic probability) to distribute $N_i$ particles into the $i$-th energy level, which has energy $\epsilon_i$ and degeneracy $g_i$, is given by: $W = \prod_i \frac{(N_i+g_i-1)!}{N_i!(g_i-1)!}$ We want to find the most probable distribution, which maximizes W. It is mathematically easier to maximize $\ln W$ instead of W. $\ln W = \sum_i [\ln(N_i+g_i-1)! – \ln N_i! – \ln(g_i-1)!]$ Using Stirling’s approximation ($\ln x! \approx x \ln x – x$) and assuming $N_i$ and $g_i \gg 1$, so that $g_i-1 \approx g_i$ and $N_i+g_i-1 \approx N_i+g_i$. $\ln W \approx \sum_i [ (N_i+g_i)\ln(N_i+g_i) – (N_i+g_i) – (N_i\ln N_i – N_i) – (g_i\ln g_i – g_i) ]$ $\ln W \approx \sum_i [ (N_i+g_i)\ln(N_i+g_i) – N_i\ln N_i – g_i\ln g_i ]$ For the most probable distribution, $\delta(\ln W)=0$, subject to the two constraints: 1. Total number of particles is constant: $N = \sum N_i \implies \delta N = \sum \delta N_i = 0$ 2. Total energy is constant: $U = \sum N_i \epsilon_i \implies \delta U = \sum \epsilon_i \delta N_i = 0$ Using Lagrange’s method of undetermined multipliers: $\delta(\ln W) – \alpha \sum \delta N_i – \beta \sum \epsilon_i \delta N_i = 0$ $\sum_i \left[ \frac{\partial(\ln W)}{\partial N_i} – \alpha – \beta\epsilon_i \right] \delta N_i = 0$ Differentiating $\ln W$ with respect to $N_i$: $\frac{\partial(\ln W)}{\partial N_i} = [\ln(N_i+g_i) + \frac{N_i+g_i}{N_i+g_i}] – [\ln N_i + \frac{N_i}{N_i}] = \ln(N_i+g_i) – \ln N_i = \ln\left(\frac{N_i+g_i}{N_i}\right)$ Substituting this into the Lagrange equation: $\ln\left(\frac{N_i+g_i}{N_i}\right) – \alpha – \beta\epsilon_i = 0$ $\ln\left(1 + \frac{g_i}{N_i}\right) = \alpha + \beta\epsilon_i$ $1 + \frac{g_i}{N_i} = e^{\alpha + \beta\epsilon_i}$ $\frac{g_i}{N_i} = e^{\alpha + \beta\epsilon_i} – 1$ The Bose-Einstein distribution function, $f_{BE}(\epsilon_i)$, is defined as the average number of particles per quantum state in the energy level $i$, i.e., $f_{BE}(\epsilon_i) = N_i/g_i$. $f_{BE}(\epsilon_i) = \frac{N_i}{g_i} = \frac{1}{e^{\alpha + \beta\epsilon_i} – 1}$ where $\beta = 1/k_B T$ and $\alpha = -\mu/k_B T$ ($\mu$ is the chemical potential). Thus, the Bose-Einstein distribution function is: $f_{BE}(\epsilon) = \frac{1}{e^{(\epsilon – \mu)/k_B T} – 1}$
OR
Fermi Energy and its Calculation
Definition:
The Fermi energy ($E_F$) is defined as the energy of the highest occupied quantum state in a system of fermions (like electrons in a metal) at absolute zero temperature (0 K). At absolute zero, all energy states below the Fermi energy are filled, and all states above it are empty.
Derivation of Expression:
Consider a system of N free electrons in a volume V. The number of quantum states in the momentum interval $p$ to $p+dp$, accounting for spin (2 states), is given by:
$g(p)dp = \frac{2V}{h^3} (4\pi p^2 dp)$
At absolute zero (T=0 K), electrons fill the lowest available energy levels according to the Pauli exclusion principle. All levels are filled up to a maximum momentum, the Fermi momentum $p_F$.
The total number of electrons N is therefore:
$N = \int_0^{p_F} g(p) dp = \int_0^{p_F} \frac{8\pi V}{h^3} p^2 dp$
$N = \frac{8\pi V}{h^3} \left[ \frac{p^3}{3} \right]_0^{p_F} = \frac{8\pi V}{3h^3} p_F^3$
Rearranging for $p_F$:
$p_F^3 = \frac{3N h^3}{8\pi V} \implies p_F = h \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{1/3}$
where $n=N/V$ is the electron density.
The Fermi energy $E_F$ is the kinetic energy corresponding to the Fermi momentum $p_F$:
$E_F = \frac{p_F^2}{2m_e} = \frac{1}{2m_e} \left[ h \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{1/3} \right]^2$
$E_F = \frac{h^2}{2m_e} \left( \frac{3n}{8\pi} \right)^{2/3}$
This is the expression for the Fermi energy.
Calculation for Copper:
Given:
- Electron density, $n = 8.53 \times 10^{28} \text{ m}^{-3}$ (Note: The value in the English paper text `10^7*` is a typo; the correct value from the Hindi text is used).
- Mass of electron, $m_e = 9.1 \times 10^{-31} \text{ kg}$
- Planck’s constant, $h = 6.62 \times 10^{-34} \text{ Js}$
Substituting the values into the expression for Fermi energy:
$E_F = \frac{(6.62 \times 10^{-34})^2}{2 \times 9.1 \times 10^{-31}} \left( \frac{3 \times 8.53 \times 10^{28}}{8\pi} \right)^{2/3}$
$E_F = \frac{43.8244 \times 10^{-68}}{18.2 \times 10^{-31}} \left( \frac{25.59 \times 10^{28}}{25.133} \right)^{2/3}$
$E_F = (2.4079 \times 10^{-37}) \times (1.0182 \times 10^{28})^{2/3}$
$E_F = (2.4079 \times 10^{-37}) \times (4.70 \times 10^{18})$
$E_F = 11.32 \times 10^{-19} \text{ J}$
To convert the energy to electron-volts (eV), we divide by the elementary charge $1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}$:
$E_F (\text{eV}) = \frac{11.32 \times 10^{-19} \text{ J}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}} \approx 7.07 \text{ eV}$
Thus, the value of Fermi energy for copper is approximately
7.07 eV
.
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