তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র

তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র সম্পর্কে প্রবন্ধ

প্রাকৃতিকভাবে সংঘটিত সমস্ত প্রক্রিয়া কেবল এক দিকেই ঘটে, কিন্তু বিপরীত দিকে ঘটতে পারে না, যা সাধারণত অপরিবর্তনশীল প্রক্রিয়া নামে পরিচিত। ডাঁটা থেকে বিচ্ছিন্ন হয়ে মাটিতে অবাধে পড়ার পর একটি আম আর কখনও উপরের দিকে ওঠে না। একটি বইকে ধাক্কা দিয়ে থামিয়ে দিলে সেটি আর কখনও আমাদের দিকে ফিরে আসে না। যদি আমরা একটি উচ্চ-তাপমাত্রার বস্তুকে (গরম বস্তু) একটি নিম্ন-তাপমাত্রার বস্তু (ঠান্ডা বস্তু) দিয়ে স্পর্শ করি, তাহলে তাপ স্বাভাবিকভাবেই উচ্চ-তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন-তাপমাত্রার বস্তুতে প্রবাহিত হয়। আমরা কখনও এর বিপরীত প্রক্রিয়াটি দেখি না, যেখানে তাপ স্বাভাবিকভাবেই একটি ঠান্ডা বস্তু থেকে একটি গরম বস্তুতে স্থানান্তরিত হয়। যদি এই প্রক্রিয়াটি ঘটত, তাহলে ঠান্ডা বস্তুটি আরও ঠান্ডা হয়ে যেত এবং গরম বস্তুটি আরও গরম হয়ে যেত। কিন্তু বাস্তবে, বিষয়টি এমন নয়। এমন অনেক অপরিবর্তনশীল প্রক্রিয়া রয়েছে যা একে অপরের থেকে ভিন্ন বলে মনে হয়, কিন্তু সেগুলির সবকটিতেই শক্তির রূপের পরিবর্তন এবং এক বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে শক্তির স্থানান্তর জড়িত।

উদাহরণস্বরূপ, একটি শক্তিশালী ভূমিকম্প হলো যার ফলে ভবনগুলো ধসে পড়ল (ভূমিকম্পের তরঙ্গের শক্তির কারণে ভবনগুলো ধসে পড়ে)। আপনি কি কখনো দেখেছেন যে ধসে পড়া ভবনটির প্রতিটি অংশ আবার একত্রিত হয়ে আগের মতো সোজা হয়ে দাঁড়িয়েছে? অথবা, উদাহরণস্বরূপ, একটি গ্লাস মেঝেতে পড়ে ভেঙে গেল... আপনি কি কখনো দেখেছেন যে মেঝেতে ছড়িয়ে থাকা কাঁচের টুকরোগুলো আবার একত্রিত হয়ে আগের মতো একটি আস্ত গ্লাস তৈরি করেছে? এমনটা কখনো ঘটেনি... এরকম আরও অনেক উদাহরণ আছে।

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang terjadi hanya pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822‐1888) membuat sebuah pernyataan berikut :

তাপ নিজে থেকেই উচ্চ তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তুতে স্থানান্তরিত হয়; তাপ নিজে থেকে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তু থেকে উচ্চ তাপমাত্রার বস্তুতে স্থানান্তরিত হয় না (তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র – ক্লসিয়াসের বিবৃতি)।

ক্লসিয়াসের বিবৃতি হলো তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের একটি বিশেষ বিবৃতি। একে বিশেষ বিবৃতি বলা হয় কারণ এটি শুধুমাত্র একটি প্রক্রিয়ার ক্ষেত্রে প্রযোজ্য, আর তা হলো তাপ স্থানান্তর। যেহেতু এই বিবৃতিটি অন্য কোনো প্রক্রিয়ার সাথে সম্পর্কিত নয়, তাই আমাদের একটি আরও সাধারণ বিবৃতির প্রয়োজন। তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের সাধারণ বিবৃতির বিকাশ আংশিকভাবে তাপ ইঞ্জিনের অধ্যয়নের উপর ভিত্তি করে হয়েছিল। তাই, আমরা প্রথমে তাপ ইঞ্জিন নিয়ে আলোচনা করব।

তাপ ইঞ্জিন

আমরা যে শক্তি ব্যবহার করি তার বেশিরভাগই আসে পেট্রোলিয়াম, গ্যাস এবং কয়লার মধ্যে থাকা রাসায়নিক স্থিতিশক্তি থেকে। পেট্রোলিয়াম, গ্যাস বা কয়লার মধ্যে থাকা রাসায়নিক স্থিতিশক্তি সরাসরি ব্যবহার করা যায় না। পেট্রোলিয়াম, গ্যাস বা কয়লাকে প্রথমে পোড়াতে হয়। সাধারণত, জীবাশ্ম জ্বালানি (পেট্রোলিয়াম, গ্যাস এবং কয়লা) পোড়ালে তাপ উৎপন্ন হয়। এই তাপ সরাসরি খাবার রান্না করতে এবং ঘর গরম করতে ব্যবহার করা যায়। কোনো কিছু সরাতে (উদাহরণস্বরূপ, একটি যানবাহন চালাতে), আমাদের অবশ্যই তাপকে গতিশক্তি বা যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করতে হবে (যান্ত্রিক শক্তি = স্থিতিশক্তি + গতিশক্তি)। যান্ত্রিক শক্তিকে তাপে রূপান্তরিত করা খুব সহজ কাজ, কিন্তু তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করা কঠিন। আপনার হাতের তালু দুটি একসাথে ঘষে দেখুন... আপনার তালু গরম, তাই না? যখন আমরা আমাদের তালু দুটি একসাথে ঘষি (আমরা কাজ করি), তখন যান্ত্রিক শক্তি তাপে রূপান্তরিত হয়। প্রক্রিয়াটি খুব সহজ... এমনকি কাজ করে অসীম তাপও উৎপন্ন করা যায়। কিন্তু এর বিপরীত প্রক্রিয়া, অর্থাৎ তাপ ব্যবহার করে কাজ করা, কঠিন।

তাপকে কাজে লাগিয়ে কাজ করানোর যন্ত্র ১৭০০ সালে আবিষ্কৃত হয়েছিল। এই যন্ত্রটি ছিল বাষ্পীয় ইঞ্জিন। বাষ্পীয় ইঞ্জিন প্রথম কয়লা খনি থেকে জল পাম্প করে বের করার জন্য ব্যবহৃত হয়েছিল। উল্লেখ্য যে, বাষ্পীয় ইঞ্জিনের প্রথম ব্যবহার ঘটেছিল বিজ্ঞানীরা জানার আগেই যে, তাপ আসলে তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে স্থানান্তরিত শক্তি (তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র তখনও প্রণীত হয়নি)।

সেই সময়ে বাষ্পীয় ইঞ্জিনের ব্যবহার সম্ভবত দৈনন্দিন অভিজ্ঞতার উপর ভিত্তি করে ছিল, যা দেখিয়েছিল যে বাষ্প বস্তু সরাতে পারে। বাষ্পীয় ইঞ্জিনকে তাপীয় ইঞ্জিন হিসেবে বিবেচনা করা হয় (তাপীয় ইঞ্জিন = তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তর করার একটি যন্ত্র)। বর্তমানে, বাষ্পীয় ইঞ্জিন বৈদ্যুতিক শক্তি উৎপন্ন করতে ব্যবহৃত হয়। আধুনিক তাপীয় ইঞ্জিনগুলো হলো অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন (গাড়ির ইঞ্জিন, মোটরসাইকেলের ইঞ্জিন, ইত্যাদি)।

তাপ ইঞ্জিন ব্যবহারের মূল ধারণাটি হলো, তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করা তখনই সম্ভব যখন এটিকে একটি উচ্চ-তাপমাত্রার অঞ্চল থেকে একটি নিম্ন-তাপমাত্রার অঞ্চলে প্রবাহিত হতে দেওয়া হয়। এই প্রক্রিয়ার সময়, কিছু তাপ যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত হয় (কিছু তাপ কাজ করতে ব্যবহৃত হয়), এবং কিছু তাপ নিম্ন-তাপমাত্রার অঞ্চলে বর্জিত হয়। একটি তাপ ইঞ্জিনে শক্তি রূপান্তর এবং শক্তি স্থানান্তরের প্রক্রিয়াটি চিত্রে দেখানো হয়েছে।

উচ্চ তাপমাত্রা (T_H) এবং নিম্ন তাপমাত্রা (T_Lএকে ইঞ্জিনের কার্যকরী তাপমাত্রাও বলা হয়। উচ্চ তাপমাত্রার স্থান থেকে প্রবাহিত তাপকে Q প্রতীক দ্বারা প্রকাশ করা হয়।_Hঅপরদিকে, নিম্ন তাপমাত্রার স্থানে নির্গত তাপকে Q প্রতীক দ্বারা প্রকাশ করা হয়।_L. উচ্চ তাপমাত্রার স্থান থেকে নিম্ন তাপমাত্রার স্থানে প্রবাহিত হওয়ার সময়, কিছু Q_H যান্ত্রিক শক্তিতে (কাজ করতে ব্যবহৃত) রূপান্তরিত হয়, এর কিছু অংশ Q হিসেবে নির্গত হয়।_Lআসলে আমরা সত্যিই আশা করি যে সমস্ত Q_H একে ওয়াটে (W) রূপান্তর করা যায়, কিন্তু দৈনন্দিন অভিজ্ঞতা থেকে দেখা যায় যে এটি অসম্ভব। সবসময়ই কিছু তাপ নষ্ট হয়। সুতরাং, শক্তির সংরক্ষণশীলতার উপর ভিত্তি করে এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে Q_H = ওয়াট + কিউ_L.

এখন আমরা তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তর করতে ব্যবহৃত একটি সাধারণ তাপ ইঞ্জিন পর্যালোচনা করব। এটা মনে রাখা গুরুত্বপূর্ণ যে আমরা কেবল সেই তাপ ইঞ্জিনগুলো বিবেচনা করছি যেগুলো অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করে। অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করার জন্য, তাপকে অবশ্যই একটি উচ্চ-তাপমাত্রার অঞ্চল থেকে একটি নিম্ন-তাপমাত্রার অঞ্চলে অবিচ্ছিন্নভাবে প্রবাহিত হতে হবে। যদি তাপ কেবল একবার প্রবাহিত হয়, তবে তাপ ইঞ্জিন দ্বারা সম্পাদিত কাজও কেবল একবারই হবে (উৎপাদিত যান্ত্রিক শক্তি খুব কম হবে)। অতএব, তাপ ইঞ্জিনটিকে সর্বোত্তমভাবে ব্যবহার করা যাবে না। একটি তাপ ইঞ্জিনকে সর্বোত্তমভাবে ব্যবহার করা যেতে পারে যদি এটি অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করে। অন্য কথায়, তাপ ইঞ্জিন দ্বারা উৎপাদিত যান্ত্রিক শক্তি কোনো কিছুকে সরাতে ব্যবহার করার জন্য যথেষ্ট।

বাষ্পীয় ইঞ্জিন

স্টিম ইঞ্জিন তাপ স্থানান্তরের মাধ্যম হিসেবে জলীয় বাষ্প ব্যবহার করে। স্টিমকে স্টিম ইঞ্জিনের কার্যকরী পদার্থ বলা হয়। স্টিম ইঞ্জিন দুই প্রকারের হয়: রেসিপ্রোকেটিং স্টিম ইঞ্জিন এবং টারবাইন স্টিম ইঞ্জিন (স্টিম টারবাইন)। এদের নকশায় সামান্য পার্থক্য থাকলেও, উভয়ের মধ্যে কিছু সাদৃশ্য রয়েছে: এরা তেল, গ্যাস, কয়লা বা পারমাণবিক শক্তি পুড়িয়ে উত্তপ্ত করা বাষ্প ব্যবহার করে।

প্রত্যাবর্তী ধরনের বাষ্প ইঞ্জিন

একটি পাত্রে থাকা জলকে সাধারণত উচ্চ চাপে গরম করা হয়। যেহেতু এটিকে উচ্চ চাপে গরম করা হয়, তাই স্ফুটন প্রক্রিয়াটি উচ্চ তাপমাত্রায় ঘটে। তাপমাত্রা চাপের সাথে সরাসরি সমানুপাতিক। বাষ্পের তাপমাত্রা যত বেশি হয়, তার বাষ্পচাপও তত বেশি হয়। এই উচ্চ-তাপমাত্রা বা উচ্চ-চাপের বাষ্প ইনলেট ভালভের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয় এবং পিস্টনের বিপরীতে প্রসারিত হয়। প্রসারিত হওয়ার সাথে সাথে, বাষ্প পিস্টনকে ধাক্কা দেয়, যার ফলে এটি ডানদিকে সরে যায়।

বাষ্পের কিছু তাপ গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। যখন পিস্টনটি ডানদিকে সরে যায়, তখন পিস্টনের সাথে সংযুক্ত চাকাটি ঘোরে (1)। অর্ধেক ঘূর্ণনের পর, চাকাটি পিস্টনকে তার আসল অবস্থানে ঠেলে দেয় (2)। যখন পিস্টনটি বামদিকে সরে যায়, তখন ইনলেট ভালভ স্বয়ংক্রিয়ভাবে বন্ধ হয়ে যায়, এবং এক্সহস্ট ভালভ স্বয়ংক্রিয়ভাবে খুলে যায়। কনডেন্সারে বাষ্প ঘনীভূত হয়ে শিশিরে পরিণত হয়। এরপর, কনডেন্সারের জল আবার ফোটানোর জন্য পাত্রে পাম্প করে ফেরত পাঠানো হয়। এবং এভাবেই চলতে থাকে… যেহেতু প্রক্রিয়াটি বারবার ঘটে, তাই পিস্টনটি ক্রমাগত ডানে এবং বামে চলাচল করে। যেহেতু পিস্টনটি ক্রমাগত ডানে এবং বামে চলাচল করে, তাই চাকাটিও ক্রমাগত ঘুরতে থাকে। চাকার ঘূর্ণন সাধারণত কোনো কিছু সরাতে ব্যবহৃত হয়।

স্টিম টারবাইন

একটি স্টিম টারবাইনের কার্যপ্রণালী মূলত একটি রেসিপ্রোকেটিং স্টিম ইঞ্জিনের মতোই। পার্থক্য হলো, একটি রেসিপ্রোকেটিং স্টিম ইঞ্জিনে পিস্টন ব্যবহৃত হয়, আর একটি স্টিম টারবাইনে টারবাইন ব্যবহৃত হয়। একটি রেসিপ্রোকেটিং স্টিম ইঞ্জিনে, তাপ প্রথমে পিস্টনের রৈখিক গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। এরপর, পিস্টনের রৈখিক গতিশক্তি ঘূর্ণায়মান চাকার ঘূর্ণন গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। একটি স্টিম টারবাইনে, তাপ সরাসরি টারবাইনের ঘূর্ণন গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। চাপের পার্থক্যের কারণে টারবাইনটি ঘুরতে পারে। ব্লেডের উপরের বাষ্পের তাপমাত্রা ব্লেডের নিচের বাষ্পের তাপমাত্রার চেয়ে অনেক বেশি। ব্লেড হলো টারবাইনের কেন্দ্রে অবস্থিত একটি পাতলা পাত। তাপমাত্রা চাপের সমানুপাতিক। যেহেতু ব্লেডের উপরের বাষ্পের তাপমাত্রা ব্লেডের নিচের বাষ্পের তাপমাত্রার চেয়ে বেশি, তাই ব্লেডের উপরের বাষ্পের চাপ ব্লেডের নিচের চাপের চেয়ে বেশি হয়। এই চাপের পার্থক্যের কারণে বাষ্প ব্লেডটিকে নিচের দিকে ঠেলে দেয়, যার ফলে টারবাইনটি ঘুরতে শুরু করে। টারবাইনের ঘূর্ণনের দিকটি চিত্রে দেখানো হয়েছে।

এটা মনে রাখা গুরুত্বপূর্ণ যে, একটি বাষ্পীয় ইঞ্জিনের কার্যপ্রণালী উপরে বর্ণিত শক্তি স্থানান্তর ডায়াগ্রামের উপর ভিত্তি করে গঠিত। এক্ষেত্রে, উচ্চ তাপমাত্রার কোনো বস্তু বা স্থান থেকে নিম্ন তাপমাত্রার কোনো বস্তু বা স্থানে তাপ প্রবাহিত হতে দিয়ে যান্ত্রিক শক্তি উৎপন্ন করা যায়। সুতরাং, একটি বাষ্পীয় ইঞ্জিনে তাপমাত্রার পার্থক্য অপরিহার্য।

একটি রেসিপ্রোকেটিং স্টিম ইঞ্জিন কীভাবে কাজ করে সেদিকে মনোযোগ দিলে আপনি লক্ষ্য করবেন যে, তাপমাত্রার কোনো পার্থক্য না থাকা সত্ত্বেও (কোনো কনডেন্সার বা পাম্প না থাকায়) পিস্টনটি ডানে-বামে চলাচল করতে পারে। উচ্চ-তাপমাত্রা বা উচ্চ-চাপের বাষ্পের প্রসারণের কারণে পিস্টনটি ডানদিকে সরতে পারে। এক্ষেত্রে, বাষ্পের কিছু তাপ পিস্টনের রৈখিক গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। পিস্টনের এই রৈখিক গতিশক্তি এরপর ঘূর্ণায়মান চাকার ঘূর্ণন গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। অর্ধেক ঘূর্ণন সম্পন্ন করার পর, চাকাটি পিস্টনকে আবার বাম দিকে ঠেলে দেয়। যখন চাকাটি পিস্টনকে আবার বাম দিকে ঠেলে দেয়, তখন চাকার ঘূর্ণন গতিশক্তি পুনরায় পিস্টনের রৈখিক গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। পিস্টনটি বাম দিকে যাওয়ার সময় সিলিন্ডারের ভেতরের বাষ্পকে বাইরে বের করে দেয়। একই সাথে, নিষ্কাশন ভালভটি খুলে যায়।

সুতরাং, পিস্টন দ্বারা ধাক্কা দেওয়া বাষ্প নিষ্কাশন ভালভের নিচের বাষ্পকে ধাক্কা দেবে। এখন, যদি নিষ্কাশন ভালভের নিচের বাষ্পের তাপমাত্রা পিস্টন দ্বারা ধাক্কা দেওয়া বাষ্পের তাপমাত্রার সমান হয়, তাহলে পিস্টনের সমস্ত রৈখিক গতিশক্তি বাষ্পের অভ্যন্তরীণ শক্তিতে রূপান্তরিত হবে। অভ্যন্তরীণ শক্তি তাপমাত্রার সাথে সরাসরি সমানুপাতিক। যদি বাষ্পের অভ্যন্তরীণ শক্তি বাড়ে, তাহলে বাষ্পের তাপমাত্রাও বাড়ে। তাপমাত্রা চাপের সাথে সরাসরি সমানুপাতিক। যদি বাষ্পের তাপমাত্রা বাড়ে, তাহলে বাষ্পের চাপও বাড়ে। সুতরাং, নিষ্কাশন ভালভ দিয়ে নির্গত বাষ্পের চাপ প্রবেশ ভালভ দিয়ে প্রবেশ করা বাষ্পের চাপের সমান হবে। পিস্টন ক্রমাগত ডানে ও বামে চলতে থাকবে কিন্তু ব্যবহার করার মতো কোনো মোট গতিশক্তি থাকবে না (কোনো মোট কাজ উৎপন্ন হবে না)। তাই প্রসারণ প্রক্রিয়ার সময় (পিস্টন ডানদিকে চলে) পিস্টন যে গতিশক্তি লাভ করে, তা সংকোচন প্রক্রিয়ার সময় (পিস্টন বামদিকে চলে) বাষ্পে ফেরত যাবে।

এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, একটি বাষ্পীয় ইঞ্জিনে তাপমাত্রার পার্থক্য থাকা এখনও প্রয়োজন। বাষ্পীয় ইঞ্জিনে এই তাপমাত্রার পার্থক্য একটি কনডেন্সার ব্যবহার করে অর্জন করা যায়। যখন নিষ্কাশন ভালভের নীচের বাষ্পের তাপমাত্রা ও চাপ সিলিন্ডারের ভেতরের বাষ্পের তাপমাত্রা ও চাপের চেয়ে অনেক কম হয়, তখন পিস্টন যখন বাম দিকে পেছনের দিকে যায়, তখন পিস্টন বাষ্পের উপর যে পরিমাণ চাপ প্রয়োগ করে, তা পিস্টন ডান দিকে যাওয়ার সময় বাষ্পের দ্বারা পিস্টনের উপর প্রয়োগ করা চাপের চেয়ে অনেক কম হয়। অন্য কথায়, পিস্টন বাষ্পের উপর যে পরিমাণ কাজ করে, তা বাষ্প পিস্টনের উপর যে পরিমাণ কাজ করে তার চেয়ে অনেক কম। তাই পিস্টনের গতিশক্তির একটি ক্ষুদ্র অংশই বাষ্পে ফিরে আসে। ফলে, মোট গতিশক্তি বা মোট কাজ উৎপন্ন হয়। এই মোট গতিশক্তি কোনো কিছুকে সরাতে ব্যবহৃত হয়।

অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন

মোটরসাইকেল এবং গাড়ির ইঞ্জিন হলো অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের উদাহরণ। এদেরকে অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন বলা হয়, কারণ দহন প্রক্রিয়াটি একটি বদ্ধ সিলিন্ডারের ভিতরে ঘটে। তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রে ব্যাখ্যা করা রুদ্ধতাপীয় সংকোচন ও প্রসারণের ধারণার প্রকৌশলগত ফল হলো অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন ।

আমরা কেবল সেইসব অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন নিয়ে আলোচনা করব যেগুলো জ্বালানি হিসেবে গ্যাসোলিন এবং ডিজেল ব্যবহার করে। গ্যাসোলিন এবং ডিজেল হলো পেট্রোলিয়ামজাত পণ্য, এবং তাই এদের রাসায়নিক স্থিতিশক্তি রয়েছে। গ্যাসোলিন এবং ডিজেলের রাসায়নিক স্থিতিশক্তি প্রথমে দহন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে তাপে রূপান্তরিত হয়। দহনের মাধ্যমে উৎপন্ন তাপ এরপর যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত হয়। এই যান্ত্রিক শক্তিই একটি মোটরসাইকেল বা গাড়িকে চলতে সাহায্য করে। গ্যাসোলিন ইঞ্জিনের এই চক্রকে অটো চক্র বলা হয়, আর ডিজেল ইঞ্জিনের চক্রকে ডিজেল চক্র বলা হয়। চক্র হলো একটি প্রত্যাবর্তী তাপগতিবিদ্যাগত প্রক্রিয়া। চলুন প্রথমে অটো চক্র নিয়ে আলোচনা করা যাক।

অটো চক্র

এটি একটি চার-স্ট্রোক অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের চিত্র। পিস্টন যখন নিচের দিকে নামে (ইনটেক স্ট্রোক), তখন কার্বুরেটর থেকে বাতাস এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের একটি মিশ্রণ সিলিন্ডারে প্রবেশ করে। এরপর পিস্টন যখন উপরের দিকে ওঠে (কম্প্রেশন স্ট্রোক), তখন সিলিন্ডারের ভেতরের বাতাস এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণটি রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত হয়। রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত হওয়ার কারণে মিশ্রণটির তাপমাত্রা এবং চাপ বৃদ্ধি পায়। একই সাথে, স্পার্ক প্লাগ মিশ্রণটিতে আগুন ধরিয়ে দেয়। এটি জ্বলতে থাকলে গ্যাসের তাপমাত্রা এবং চাপ বৃদ্ধি পায়। উচ্চ-তাপমাত্রা ও উচ্চ-চাপের গ্যাসটি পিস্টনের বিপরীতে প্রসারিত হয়ে এটিকে নিচের দিকে ঠেলে দেয় (এক্সপ্যানশন স্ট্রোক)। এরপর দগ্ধ গ্যাসটি এক্সস্ট ভালভের মাধ্যমে নির্গত হয়ে এক্সস্ট পাইপের দিকে চলে যায় (এক্সহস্ট স্ট্রোক)। ইনটেক ভালভটি আবার খুলে যায় এবং এই চারটি স্ট্রোকের পুনরাবৃত্তি ঘটে।

এটা মনে রাখা গুরুত্বপূর্ণ যে, অ্যাডিয়াব্যাটিক কম্প্রেশন স্ট্রোকের উদ্দেশ্য হলো বায়ু-গ্যাসোলিন বাষ্প মিশ্রণের তাপমাত্রা ও চাপ বৃদ্ধি করা। উচ্চ চাপে দহনের ফলে অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রা ও চাপ উৎপন্ন হয়। ফলস্বরূপ, প্রসারণ প্রক্রিয়ার সময় উৎপন্ন থ্রাস্ট (F = PA) খুব বেশি হয়। এর ফলে একটি মোটরসাইকেল বা গাড়ির ইঞ্জিন আরও শক্তিশালী হয়ে ওঠে। কম্প্রেশন ছাড়াও, স্পার্ক প্লাগ থেকে স্পার্ক উৎপন্ন হলে বায়ু-গ্যাসোলিন বাষ্প মিশ্রণে আগুন ধরতে পারে। তবে, দহন হওয়া গ্যাসের তাপমাত্রা ও চাপ খুব বেশি থাকে না, তাই এর ফলে উৎপন্ন থ্রাস্টও কম হয়। ফলস্বরূপ, ইঞ্জিনটি কম শক্তিশালী হয়ে পড়ে।

একটি ফোর-স্ট্রোক অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনে শক্তি রূপান্তর এবং শক্তি স্থানান্তরের প্রক্রিয়াটি নিম্নরূপভাবে ব্যাখ্যা করা যেতে পারে: দহনের সময়, গ্যাসোলিনের রাসায়নিক স্থিতিশক্তি এবং বায়ুর শক্তি তাপে রূপান্তরিত হয়। এই তাপের কিছু অংশ পিস্টন রড এবং ক্র্যাঙ্কশ্যাফটে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত হয়, এবং কিছু অংশ নিষ্কাশন নলের মাধ্যমে নির্গত হয়। পিস্টন রড এবং ক্র্যাঙ্কশ্যাফটের বেশিরভাগ যান্ত্রিক শক্তি যানবাহনে (যানবাহনটিকে চালনা করতে) যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত হয়, এবং এর একটি ক্ষুদ্র অংশ তাপে রূপান্তরিত হয়। ঘর্ষণের ফলে তাপ উৎপন্ন হয়।

অটো চক্রে রুদ্ধতাপীয় প্রসারণ ও সংকোচন প্রক্রিয়াটি নিচের চিত্রটির মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা যায়। এই চিত্রটি একটি গ্যাসোলিন-চালিত অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনে সংঘটিত তাপগতিবিদ্যার প্রক্রিয়াগুলোর একটি আদর্শ মডেল প্রদর্শন করে।

বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের একটি মিশ্রণ সিলিন্ডারে প্রবেশ করে (ক)। এরপর বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণটিকে রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত করা হয় (ক-খ)। লক্ষ্য করুন যে সিলিন্ডারের আয়তন হ্রাস পায়। বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণটিকে স্থির আয়তনে উত্তপ্ত করা হয় – মিশ্রণটি দহন করা হয় (খ-গ)। দহনকৃত গ্যাস রুদ্ধতাপীয় প্রসারণের মধ্য দিয়ে যায় (গ-ঘ)। স্থির আয়তনে শীতলীকরণ – দহনকৃত গ্যাসটি নিষ্কাশন নলে নির্গত হয় এবং বায়ু + গ্যাসোলিন বাষ্পের একটি নতুন মিশ্রণ সিলিন্ডারে প্রবেশ করে (ঘ-ক)।

বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের একটি মিশ্রণ সিলিন্ডারে প্রবেশ করে (ক)। এরপর বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণটিকে রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত করা হয় (ক-খ)। লক্ষ্য করুন যে সিলিন্ডারের আয়তন হ্রাস পায়। বায়ু এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণটিকে স্থির আয়তনে উত্তপ্ত করা হয় – মিশ্রণটি দহন করা হয় (খ-গ)। দহনকৃত গ্যাস রুদ্ধতাপীয় প্রসারণের মধ্য দিয়ে যায় (গ-ঘ)। স্থির আয়তনে শীতলীকরণ – দহনকৃত গ্যাসটি নিষ্কাশন নলে নির্গত হয় এবং বায়ু + গ্যাসোলিন বাষ্পের একটি নতুন মিশ্রণ সিলিন্ডারে প্রবেশ করে (ঘ-ক)।

ডিজেল সাইকেল

ডিজেল ইঞ্জিনের কার্যপ্রণালী গ্যাসোলিন ইঞ্জিনের মতোই। পার্থক্যটি হলো প্রাথমিক অ্যাডিয়াব্যাটিক কম্প্রেশন ধাপে (অ্যাডিয়াব্যাটিক কম্প্রেশন = এমন সংকোচন যা এত দ্রুত করা হয় যে তাপ সিস্টেমের ভিতরে বা বাইরে প্রবাহিত হওয়ার সময় পায় না। এক্ষেত্রে সিস্টেমটি হলো একটি সিলিন্ডার)। গ্যাসোলিন ইঞ্জিনে যেখানে বাতাস এবং গ্যাসোলিন বাষ্পের মিশ্রণকে সংকুচিত করা হয়, সেখানে ডিজেল ইঞ্জিনে শুধুমাত্র বাতাসকে সংকুচিত করা হয়। অ্যাডিয়াব্যাটিক কম্প্রেশনের ফলে বাতাসের তাপমাত্রা এবং চাপ বৃদ্ধি পায়। এরপর, ইনজেক্টর ডিজেল স্প্রে করে। যেহেতু বাতাসের তাপমাত্রা এবং চাপ ইতিমধ্যেই খুব বেশি থাকে, তাই যখন ডিজেল সিলিন্ডারে স্প্রে করা হয়, তখন তা সঙ্গে সঙ্গে জ্বলে ওঠে। স্পার্ক প্লাগের কোনো প্রয়োজন নেই। নিচের ডায়াগ্রামে দেখানো চাপের মানটি লক্ষ্য করুন। এটিকে অটো সাইকেল ডায়াগ্রামে দেখানো চাপের মানের সাথে তুলনা করুন ।

এই চিত্রটি একটি আদর্শ ডিজেল চক্র দেখায়। প্রাথমিকভাবে, বায়ু রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত হয় (ক-খ), তারপর স্থির চাপে উত্তপ্ত হয় – ইনজেক্টর ডিজেল স্প্রে করে এবং দহন ঘটে (খ-গ), দগ্ধ গ্যাস রুদ্ধতাপীয় প্রসারণের মধ্য দিয়ে যায় (গ-ঘ), স্থির আয়তনে শীতল হয় – দগ্ধ গ্যাস নিষ্কাশন নলের মাধ্যমে বেরিয়ে যায় এবং তাজা বায়ু সিলিন্ডারে প্রবেশ করে (ঘ-ক)।

উপরোক্ত ব্যাখ্যার ভিত্তিতে এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, প্রতিটি তাপ ইঞ্জিনের মূলত একটি নির্দিষ্ট কার্যকরী পদার্থ থাকে। বাষ্পীয় ইঞ্জিনের কার্যকরী পদার্থ হলো পানি, গ্যাসোলিন ইঞ্জিনের কার্যকরী পদার্থ হলো বায়ু ও গ্যাসোলিন বাষ্প এবং ডিজেল ইঞ্জিনের কার্যকরী পদার্থ হলো বায়ু ও ডিজেল। কার্যকরী পদার্থটি সাধারণত উচ্চ তাপমাত্রায় (Q _{H ) তাপ শোষণ করে, কাজ (W) করে এবং তারপর নিম্ন তাপমাত্রায় (Q L} ) অবশিষ্ট তাপ ছেড়ে দেয় । যেহেতু শক্তি সংরক্ষিত থাকে, তাই Q _H = W + Q _L।

তাপ ইঞ্জিনের দক্ষতা

_{একটি তাপ ইঞ্জিনের দক্ষতা (e) হলো ইঞ্জিন দ্বারা সম্পাদিত কাজ (W) এবং উচ্চ তাপমাত্রায় প্রদত্ত তাপ (Q H} ) -এর অনুপাত । গাণিতিকভাবে, এটিকে এভাবে লেখা যায়:

W হলো আমাদের প্রাপ্ত মুনাফা, আর QH _হলো জ্বালানি ক্রয় ও ব্যবহারে আমাদের ব্যয়। মানুষ হিসেবে আমরা সবসময় সর্বোচ্চ সম্ভাব্য মুনাফা এবং সর্বনিম্ন সম্ভাব্য ব্যয় পেতে চাই, তাই আমরা আন্তরিকভাবে আশা করি যে আমাদের প্রাপ্ত মুনাফা (W) যেন আমাদের ব্যয়ের (QH) সমানুপাতিক হয়। এটা কি সম্ভব?

শক্তির সংরক্ষণ নীতি অনুসারে, প্রদত্ত তাপ (Q _H ) অবশ্যই কৃত কাজ (W) + নির্গত তাপ (Q _L )-এর সমান হতে হবে। গাণিতিকভাবে:

একটি তাপ ইঞ্জিনের দক্ষতা শতাংশে প্রকাশ করতে, দক্ষতার সমীকরণটিকে কেবল ১০০% দিয়ে গুণ করুন। উপরের দক্ষতার সমীকরণ অনুসারে, একটি তাপ ইঞ্জিন যত বেশি তাপ বর্জন করে (Q _L ), ইঞ্জিনটি তত কম দক্ষ হয়। আমরা অবশ্যই চাইব যেন বর্জন করা তাপের পরিমাণ (Q _L ) যতটা সম্ভব কম হয়। তবে, প্রয়োজনীয় তাপ (Q _H ) সাধারণত তেল, কয়লা, গ্যাস ইত্যাদি (যেসব জ্বালানির জন্য আমাদের অর্থ প্রদান করতে হয়) পুড়িয়ে সংগ্রহ করা হয়।

সুতরাং, প্রতিটি তাপ ইঞ্জিন মূলত যতটা সম্ভব দক্ষ করে ডিজাইন করা হয়। যদিও আমরা সর্বনিম্ন ব্যয়ে সর্বোচ্চ সুবিধা পেতে চাই, বাস্তবতা হলো বাষ্পীয় ইঞ্জিনগুলো সাধারণত প্রায় ৪০% দক্ষ, যেখানে অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনগুলো প্রায় ৫০% দক্ষ। এর অর্থ হলো, জ্বালানি পোড়ানোর ফলে উৎপন্ন তাপের অর্ধেকই নষ্ট হয়ে যায়। মাত্র অর্ধেক যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত হয়।

উদাহরণ প্রশ্ন ২:

একটি তাপ ইঞ্জিন 3000 জুল তাপ (Q _H ) শোষণ করে, কাজ (W) সম্পাদন করে এবং 2500 জুল তাপ (Q _L ) নির্গত করে। তাপ ইঞ্জিনটির দক্ষতা কত?

আলোচনা

উদাহরণ প্রশ্ন ২:

একটি তাপ ইঞ্জিন 3000 জুল তাপ (Q _H ) শোষণ করে, কাজ (W) করে এবং 2000 জুল তাপ (Q _L ) নির্গত করে। তাপ ইঞ্জিনটির দক্ষতা কত?

আলোচনা

উদাহরণ প্রশ্ন ২:

একটি তাপ ইঞ্জিন 3000 জুল তাপ (Q _H ) শোষণ করে, কাজ (W) করে এবং 1500 জুল তাপ (Q _L ) নির্গত করে। তাপ ইঞ্জিনটির দক্ষতা কত?

আলোচনা