মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানের টিউটোরিয়াল

থার্মোমিটার এবং তাপমাত্রা স্কেল সম্পর্কিত নিবন্ধ

১. থার্মোমিটার

তাপমাত্রা পরিমাপের যন্ত্রকে থার্মোমিটার বলা হয়। বিভিন্ন ধরনের থার্মোমিটার রয়েছে, কিন্তু এদের কার্যপ্রণালী একই। সাধারণত, আমরা তাপপরিমাপক বস্তু ব্যবহার করি, যা হলো এমন পদার্থ যার প্রকৃতি তাপমাত্রার সাথে পরিবর্তিত হয়। বস্তুর তাপমাত্রা পরিবর্তিত হলে, বস্তুটির আকৃতি এবং আকারও পরিবর্তিত হয়। বেশিরভাগ থার্মোমিটারে এমন বস্তু ব্যবহার করা হয় যা তাপমাত্রার পরিবর্তনের সাথে সাথে প্রসারিত বা সংকুচিত হতে পারে। সচরাচর ব্যবহৃত থার্মোমিটারগুলো কাচের নল দিয়ে তৈরি হয়, যার কেন্দ্রে অ্যালকোহল বা পারদ থাকে। তাপমাত্রা বাড়লে, পাত্রের অ্যালকোহল বা পারদ প্রসারিত হয়, ফলে অ্যালকোহল বা পারদ স্তম্ভের দৈর্ঘ্য বৃদ্ধি পায়। বিপরীতভাবে, তাপমাত্রা কমলে অ্যালকোহল বা পারদ স্তম্ভের দৈর্ঘ্য কমে যায়। কাচের নলের বাইরের দিকে সংখ্যা লেখা থাকে, যা থার্মোমিটারের স্কেল হিসেবে কাজ করে। অ্যালকোহল বা পারদ স্তম্ভের উপরের প্রান্তে প্রদর্শিত সংখ্যাটি পরিমাপাধীন বস্তুর তাপমাত্রার মান নির্দেশ করে।

আরও পড়ুন

তাপগতিবিদ্যার শূন্যতম সূত্র সম্পর্কে প্রবন্ধ

এখন পর্যন্ত আমরা কেবল সংস্পর্শে থাকা দুটি বস্তুর তাপীয় সাম্যাবস্থাই পর্যবেক্ষণ করেছি।

তাপীয় সাম্যাবস্থার ধারণাটি আরও গভীরভাবে বোঝার জন্য, আসুন তিনটি বস্তু (ধরা যাক বস্তু A, বস্তু B, এবং বস্তু C) পর্যালোচনা করা যাক। উদাহরণস্বরূপ, বস্তু B এবং বস্তু C একে অপরকে স্পর্শ করে না, কিন্তু বস্তু A, বস্তু B-এর সংস্পর্শে আছে এবং বস্তু A, বস্তু C-এর সংস্পর্শে আছে। নিচের ছবিটি লক্ষ্য করুন। যেহেতু বস্তু A এবং বস্তু B ছাড়া বাকি সব বস্তু একে অপরকে স্পর্শ না করে তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে, তাই বস্তু A এবং বস্তু C-ও তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে। বস্তু B এবং C, যারা একে অপরকে স্পর্শ করে না, তারাও কি তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে? যদি আমরা শুধু যুক্তি ব্যবহার করি, আমরা বলতে পারি যে বস্তু B এবং বস্তু C-ও তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে, যদিও তারা একে অপরকে স্পর্শ করে না। বস্তু A এবং বস্তু B তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে, যার অর্থ হলো বস্তু A-এর তাপমাত্রা = বস্তু B-এর তাপমাত্রা।

আরও পড়ুন

তাপমাত্রা এবং তাপীয় সাম্যাবস্থার সংজ্ঞা সম্পর্কিত প্রবন্ধ

তাপমাত্রার সংজ্ঞা

আপনি কি কখনো বরফ ছুঁয়েছেন? আপনার হাত বরফ স্পর্শ করলে কী অনুভব করেন? আর যদি আপনি আগুন স্পর্শ করেন? বরফ স্পর্শ করলে আপনার হাত ঠান্ডা লাগে, আর আগুন স্পর্শ করলে আপনার হাত গরম লাগে। গরম, উষ্ণ, শীতল, ঠান্ডা কী বোঝায়?

তাপমাত্রার ধারণাটি আমাদের স্পর্শেন্দ্রিয়ের দ্বারা অনুভূত তাপ ও ​​ঠান্ডা থেকে শুরু হয়। স্পর্শেন্দ্রিয়ের অনুভূতির উপর ভিত্তি করে আমরা বলি একটি বস্তু অন্যটির চেয়ে বেশি গরম বা একটি বস্তু অন্যটির চেয়ে বেশি ঠান্ডা। গরম বস্তুর তাপমাত্রা বেশি হয়, আর ঠান্ডা বস্তুর তাপমাত্রা কম হয়। কোনো বস্তু যত বেশি ঠান্ডা হয়, তার তাপমাত্রা তত কম হয়। বিপরীতভাবে, কোনো বস্তু যত বেশি গরম হয়, তার তাপমাত্রা তত বেশি হয়। কোনো বস্তুর তাপ বা ঠান্ডার পরিমাপকে তাপমাত্রা বলা হয়। গ্যাস গতি তত্ত্ব (Gas kinetic theory) বিষয়ে আপনি তাপমাত্রার সংজ্ঞা আরও গভীরভাবে বুঝতে পারবেন; কোনো বস্তুর অণুগুলোর কী হয় যার ফলে সেটি গরম, উষ্ণ, শীতল বা ঠান্ডা অনুভূত হয়।

আরও পড়ুন

পদার্থের দশা বিষয়ক প্রবন্ধ (আণুবীক্ষণিক বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে)

দৈনন্দিন জীবনে আমরা প্রায়শই পদার্থের তিনটি ভিন্ন অবস্থার সম্মুখীন হই। এগুলো হলো কঠিন পদার্থ (যেমন, পাথর, লোহা ইত্যাদি), তরল পদার্থ (পানি, পেট্রোল ইত্যাদি) এবং গ্যাসীয় পদার্থ (বায়ু ইত্যাদি)। এই পদার্থগুলোর আকৃতি ও আয়তন বজায় রাখার ক্ষমতার উপর ভিত্তি করে এদের তিন অবস্থাকে আলাদা করা যায়।

কঠিন পদার্থ সাধারণত একটি নির্দিষ্ট আকার এবং আয়তন বজায় রাখে। তরল কোনো নির্দিষ্ট আকার ধরে রাখে না, বরং যে পাত্রে থাকে তার সাথে নিজেকে মানিয়ে নেয়। উদাহরণস্বরূপ, যদি আমরা একটি গ্লাসে জল রাখি, তবে এর আকার গ্লাসের মতো হয়ে যায়। যদি বাথটাবে জল রাখা হয়, তবে এর আকার বাথটাবের মতো হয়ে যায়। তরলের আয়তন সাধারণত সর্বদা স্থির থাকে। এক গ্লাস জল যদি বাথটাবে রাখা হয়, তবে গ্লাসে জলের পরিমাণ একই থাকে। জলের আকার পরিবর্তিত হতে পারে, কিন্তু এর আয়তন কখনও পরিবর্তিত হয় না। মনে রাখবেন যে, যথেষ্ট বল প্রয়োগ করা হলে কঠিন এবং তরল পদার্থের পরিমাণ পরিবর্তিত হতে পারে।

আরও পড়ুন

পারমাণবিক তত্ত্ব এবং গতি তত্ত্ব সম্পর্কিত প্রবন্ধ

পারমাণবিক তত্ত্ব

হাজার হাজার বছর ধরে প্রাচীন গ্রিকরা বিশ্বাস করত যে প্রতিটি বিশুদ্ধ পদার্থ (যেমন সোনা, লোহা ইত্যাদি) পরমাণু দ্বারা গঠিত। তাদের মতে, যদি কোনো বিশুদ্ধ পদার্থকে ছোট ছোট টুকরো করে কাটা হয়, তারপর সেই ক্ষুদ্র অংশগুলোকে আবার কাটা হয়, তারপর আবার কাটা হয়... এবং এই প্রক্রিয়া চলতে থাকে, তাহলে এমন ক্ষুদ্রতম টুকরো পাওয়া যাবে যা আর কাটা যায় না। এই ক্ষুদ্রতম টুকরোগুলোকেই পরমাণু বলা হয়। পরমাণু শব্দের অর্থ হলো “অবিভাজ্য” (গ্রিক ভাষা)।

সেই সময়ে পরমাণুকে অবিভক্ত বলে মনে করা হতো। কিন্তু পরবর্তীতে কিছু বিজ্ঞানী ইলেকট্রন এবং পারমাণবিক নিউক্লিয়াস (প্রোটন ও নিউট্রন) আবিষ্কার করেন, ফলে পরমাণুকে অবিভাজ্য মনে করার ধারণাটি ভুল প্রমাণিত হয়। সুতরাং, পরমাণু ইলেকট্রন (ঋণাত্মক চার্জযুক্ত) এবং পারমাণবিক নিউক্লিয়াস দ্বারা গঠিত। ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে প্রদক্ষিণ করে। নিউক্লিয়াসের ভেতরে প্রোটন (ধনাত্মক চার্জযুক্ত) এবং নিউট্রন (নিরপেক্ষ বা চার্জবিহীন) থাকে।

আরও পড়ুন

দশার পরিবর্তন, সংকট তাপমাত্রা, ত্রৈধ বিন্দু সম্পর্কিত প্রবন্ধ

আদর্শ গ্যাস সূত্রের আলোচনায় ব্যাখ্যা করা হয়েছে যে, বাস্তব গ্যাসের চাপ এবং ঘনত্ব খুব বেশি না হলেই কেবল আদর্শ গ্যাস সূত্রটি বাস্তব গ্যাসের আচরণ সঠিকভাবে বর্ণনা করে। যদি বাস্তব গ্যাসের চাপ এবং ঘনত্ব যথেষ্ট বেশি হয়, তবে আদর্শ গ্যাস সূত্রটি ভুল ফলাফল দেয়, একইভাবে, যখন বাস্তব গ্যাসের তাপমাত্রা স্ফুটনাঙ্কের কাছাকাছি পৌঁছায় তখনও ভুল ফলাফল দেখা যায়। এটি বাস্তব গ্যাসের অণুগুলোর মধ্যে সংঘটিত পারস্পরিক ক্রিয়ার সাথে সম্পর্কিত। গ্যাসের চাপ গ্যাসের আয়তনের ব্যস্তানুপাতিক। যখন গ্যাসের চাপ যথেষ্ট বেশি হয়, তখন গ্যাসের আয়তন কমে যায়। যেহেতু গ্যাসের আয়তন কম, তাই গ্যাসের অণুগুলোর মধ্যে দূরত্ব কমে আসে। যখন অণুগুলোর মধ্যে দূরত্ব কমে আসে, তখন অণুগুলো একে অপরকে আকর্ষণ করে। এটা অনেকটা চুম্বকের উপর এক টুকরো লোহা রাখার মতো। যদি চুম্বক এবং লোহার মধ্যে দূরত্ব যথেষ্ট বেশি হয়, তবে চুম্বক লোহাকে টানতে পারে না। কিন্তু যদি চুম্বক এবং লোহার মধ্যে দূরত্ব কম হয়, তবে লোহা কাছে চলে আসে।

আরও পড়ুন

ভ্যান ডার ওয়ালস হলেন একজন ডাচ পদার্থবিজ্ঞানী, জে. ডি. ভ্যান ডার ওয়ালস (১৮৩৭-১৯২৩)। ভ্যান ডার ওয়ালস অবস্থার সমীকরণটি হলো একটি গ্যাসের অবস্থার সমীকরণ, যা আদর্শ গ্যাসের অবস্থার সমীকরণের অনুরূপ। পার্থক্য হলো, বাস্তব গ্যাসের চাপ এবং ঘনত্ব যথেষ্ট বেশি হলে আদর্শ গ্যাসের অবস্থার সমীকরণ সঠিক ফলাফল দিতে পারে না। অপরপক্ষে, ভ্যান ডার ওয়ালস অবস্থার সমীকরণ আরও সঠিক ফলাফল দিতে পারে।

এই সমীকরণের উদ্ভব ভ্যান ডার ওয়ালসের হাত ধরে, যিনি আদর্শ অবস্থার সমীকরণের সীমাবদ্ধতা উপলব্ধি করেছিলেন। ওয়ালস আদর্শ গ্যাসের অবস্থার সমীকরণটিকে সংশোধন করেন এবং এর সাথে এমন কয়েকটি উপাদান যোগ করেন যা বাস্তব গ্যাসের অবস্থাকেও প্রভাবিত করে, বিশেষত যখন বাস্তব গ্যাসের চাপ ও ঘনত্ব বেশি থাকে।

আরও পড়ুন

গতি তত্ত্ব ব্যবহার করে বাষ্পীভবন প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করা যায়। গ্যাসের অণুর মতো, জলের অণুও চলাচল করে। পার্থক্য হলো, জলের অণুগুলো বিক্ষিপ্ত হতে পারে না, কারণ অণুগুলোর মধ্যকার আকর্ষণ তাদের একত্রে ধরে রাখতে পারে। অন্যদিকে, গ্যাসের অণুগুলোর মধ্যকার আকর্ষণ ভঙ্গুর, ফলে গ্যাসের অণুগুলো একীভূত হতে পারে না। চলাচলের সময় জলের অণুগুলোর বেগ থাকে। কিছু জলের অণুর গতিবেগ খুব বেশি; আবার কিছু জলের অণুর বেগ খুব কম। জলের অণুর বেগের এই বন্টন ম্যাক্সওয়েল বন্টনের অনুরূপ।

বাষ্পীভবন ঘটে যখন পানির অণুগুলোর গতিবেগ এতটাই বেশি হয় যে, অণুগুলোর মধ্যকার আকর্ষণ তাদের একত্রে ধরে রাখতে পারে না। মহাকাশে গমনকারী রকেটের মতোই, একটি রকেটের গতিবেগ এতটাই বেশি থাকে যে পৃথিবীর মহাকর্ষ বল তাকে পৃথিবীতে আটকে রাখতে পারে না। উল্লেখ্য যে, কেবল উচ্চ গতিসম্পন্ন অণুগুলোই পরস্পরের আকর্ষণ থেকে মুক্ত হতে পারে। কম গতিসম্পন্ন অণুগুলো পানির মতোই একত্রে থেকে যায়।

আরও পড়ুন

স্ফুটন হলো তরল থেকে গ্যাসে রূপান্তরিত হওয়ার একটি প্রক্রিয়া। স্ফুটন তখনই ঘটে যখন সম্পৃক্ত বাষ্পের চাপ বায়ুচাপের সমান হয় (বায়ুচাপ = বায়ুমণ্ডলীয় চাপ)। আমরা এখানে শুধু জলের স্ফুটন নিয়ে আলোচনা করব। জলের সম্পৃক্ত বাষ্পের চাপ জলের তাপমাত্রার সাথে সরাসরি সমানুপাতিক; জলের তাপমাত্রা যত বেশি হয়, সম্পৃক্ত বাষ্পের চাপও তত বেশি হয়। যখন আমরা জল গরম করি, তখন সাধারণত পাত্রের তলায় ছোট ছোট বুদবুদ দেখা যায়। বুদবুদের উপস্থিতি তরলের গ্যাসে রূপান্তরিত হওয়ার ইঙ্গিত দেয়। যদি বুদবুদের ভেতরের সম্পৃক্ত বাষ্পের চাপ বাইরের বায়ুচাপের চেয়ে কম হয়, তবে বুদবুদটি পৃষ্ঠে পৌঁছানোর আগেই সংকুচিত হয়ে ভেঙে যাবে। বুদবুদগুলো ধ্বংস হয়ে যায় কারণ বাইরের বায়ুর ধাক্কার বল বুদবুদের ভেতরের বাষ্পের ধাক্কার বলের চেয়ে বেশি। বাইরের বায়ুচাপ বুদবুদের ভেতরের বাষ্পচাপের চেয়ে বেশি হওয়ায় বাইরের বায়ুর ধাক্কার বল বেশি শক্তিশালী হয় (P = F / A)।

আরও পড়ুন

আর্দ্রতা হলো বাতাসে জলীয় বাষ্পের পরিমাণ। যখন বৃষ্টি হয়, তখন বায়ুমণ্ডল খুব আর্দ্র থাকে কারণ বাতাসে প্রচুর জলীয় বাষ্প থাকে। বিপরীতভাবে, যদি বাতাসে জলীয় বাষ্প খুব কম থাকে, তবে বাতাস শুষ্ক হয়। বাতাসে জলীয় বাষ্পের পরিমাণ আপেক্ষিক আর্দ্রতা দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

আপেক্ষিক আর্দ্রতা হলো একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় বাষ্পের আংশিক চাপ এবং পানির সম্পৃক্ত বাষ্পের চাপের অনুপাত (বাষ্প হলো জলীয় বাষ্প)। আপেক্ষিক আর্দ্রতা শতাংশে প্রকাশ করা হয় এবং গাণিতিকভাবে এর সূত্রটি হলো:

আরও পড়ুন