মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানের টিউটোরিয়াল

ভালোভাবে দেখলে, দহনের ফলে সৃষ্ট ধোঁয়া প্রথমে দেখা যায়। কিছুক্ষণ পর আর ধোঁয়া দেখা যায় না। আপনি কি পারফিউম ব্যবহার করেছেন? আপনি ঘরে পারফিউম স্প্রে করলেও, বাড়ির বাইরের লোকেরাও সেই পারফিউমের সুবাস অনুভব করতে পারে। মা যদি রান্নাঘরে সুস্বাদু ও মুখরোচক খাবার রান্না করেন, তাহলে রান্নার সুগন্ধ প্রতিবেশীর বাড়ি থেকেও পাওয়া যায়। এমনটা কেন হয়?

এরকম আরও অনেক উদাহরণ আছে। যদি আপনি একটি স্বচ্ছ জলের গ্লাসে কয়েক ফোঁটা কালি দেন, তাহলে কালি বা খাবারের রঙ জলের মধ্যে সমানভাবে ছড়িয়ে পড়বে। এটি স্বয়ংক্রিয়ভাবে ঘটে। পূর্ববর্তী কিছু উদাহরণ হলো ব্যাপন ঘটনা, যা আমরা প্রায়শই দৈনন্দিন জীবনে অনুভব করি। ব্যাপন হলো পদার্থের উচ্চ ঘনত্ব থেকে নিম্ন ঘনত্বের দিকে যাওয়ার প্রক্রিয়া। ঘনত্ব বলতে বোঝায় প্রতি আয়তনে কোনো পদার্থের অণু/মোলের সংখ্যা। উচ্চ ঘনত্বের স্থান হলো এমন একটি জায়গা যেখানে প্রতি আয়তনে পদার্থের অনেক অণু থাকে। বিপরীতভাবে, নিম্ন ঘনত্বের স্থান হলো এমন জায়গা যেখানে প্রতি আয়তনে অল্প সংখ্যক অণু থাকে।

আরও পড়ুন

একপরমাণু আদর্শ গ্যাসে শক্তি

একপরমাণুবিশিষ্ট আদর্শ গ্যাসের শক্তি হলো এর অণুগুলোর মোট স্থানান্তরণ গতিশক্তি। আদর্শ গ্যাসের অণুগুলোর মোট স্থানান্তরণ গতিশক্তি = প্রতিটি অণুর গড় স্থানান্তরণ গতিশক্তি এবং অণুর সংখ্যা (N)-এর গুণফল। গাণিতিকভাবে:

আরও পড়ুন

শক্তি সমবন্টন উপপাদ্যটি ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল পরিসংখ্যানিক বলবিদ্যা ব্যবহার করে তাত্ত্বিকভাবে প্রতিপাদন করেছিলেন। একে উপপাদ্য বলা হয় কারণ পরীক্ষণের মাধ্যমে এর কোনো প্রমাণ নেই। শক্তি বন্টন বলতে শক্তির সমান বণ্টনকে বোঝায়।

KE = গ্যাস অণুসমূহের গড় স্থানান্তরণ গতিশক্তি (জুল)

k = বোল্টজম্যান ধ্রুবক = 1.38 x 10^-23 জে/কে

T = আদর্শ গ্যাস অণুর পরম তাপমাত্রা (কেলভিন)

আরও পড়ুন

চাপের পাশাপাশি, গ্যাসের স্থূল প্রকৃতি প্রকাশকারী রাশিগুলোর মধ্যে তাপমাত্রা (T) অন্যতম। গ্যাসের চাপের সমীকরণ:

আরও পড়ুন

কেগতি তত্ত্ব অনুযায়ী, প্রতিটি পদার্থ পরমাণু বা অণু দ্বারা গঠিত এবং সেই পরমাণু বা অণুগুলো অবিরাম ও স্বাধীনভাবে চলাচল করে। গতি তত্ত্বের এই ধারণাটি গ্যাসীয় উপাদানের পরমাণু বা অণুর পরিস্থিতি ও অবস্থার সাথে মিলে যায়। গ্যাস গঠনকারী পরমাণু বা অণুগুলোর মধ্যে আকর্ষণ বল দুর্বল হওয়ায় পরমাণু বা অণুগুলো অবাধে চলাচল করতে পারে।

আরও পড়ুন

প্রবন্ধ বয়েলের সূত্র, চার্লসের সূত্র, গে-লুসাকের সূত্র

বয়েলের আইন

রবার্ট বয়েল (১৬২৭-১৬৯১) গ্যাসের চাপ ও আয়তনের মধ্যে পরিমাণগত সম্পর্ক অনুসন্ধানের জন্য পরীক্ষা-নিরীক্ষা চালান। এই পরীক্ষাটি একটি বদ্ধ পাত্রে নির্দিষ্ট পরিমাণ গ্যাস প্রবেশ করিয়ে করা হয়। বেশ কিছুদিন পর তিনি দেখতে পান যে, গ্যাসের তাপমাত্রা স্থির রাখলে, গ্যাসের চাপ বাড়লে গ্যাসের আয়তন কমে যায়। একইভাবে, গ্যাসের চাপ কমলে গ্যাসের আয়তন বেড়ে যায়। গ্যাসের চাপ গ্যাসের আয়তনের ব্যস্তানুপাতিক। এই সম্পর্কটি বয়েলের সূত্র নামে পরিচিত। গাণিতিকভাবে:

আরও পড়ুন

বয়েলের সূত্র, চার্লসের সূত্র এবং গে-লুসাকের সূত্র সকল গ্যাসীয় অবস্থার ক্ষেত্রে প্রযোজ্য নয়, ফলে আমাদের বিশ্লেষণ আরও কঠিন হয়ে পড়ে। এই কারণে, আদর্শ গ্যাস মডেল উপস্থাপন করা হয়েছে। দৈনন্দিন জীবনে আদর্শ গ্যাসের অস্তিত্ব নেই; বিশ্লেষণকে সহজ করার জন্য আদর্শ গ্যাস হলো একটি নিখুঁত রূপ। এই আদর্শ গ্যাস ধারণার অস্তিত্ব গ্যাসের তিনটি সূত্রের মধ্যে সম্পর্ক পর্যালোচনা করতেও আমাদের সত্যিই সাহায্য করে।

তাপমাত্রা, আয়তন এবং গ্যাসের চাপের মধ্যে সম্পর্ক

উপরে উল্লিখিত তিনটি গ্যাস সূত্রের সাহায্যে আমরা তাপমাত্রা, আয়তন ও গ্যাসের চাপের মধ্যে একটি আরও সাধারণ সম্পর্ক প্রতিপাদন করতে পারি।

আরও পড়ুন

তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের সুনির্দিষ্ট বিবৃতি সকল অপরিবর্তনীয় প্রক্রিয়াকে বর্ণনা করতে পারে না, তাই আমাদের একটি সাধারণ বিবৃতির প্রয়োজন। এই সাধারণ বিবৃতিটি মহাবিশ্বে সংঘটিত সকল অপরিবর্তনীয় প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করবে বলে আশা করা হয়। তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের সাধারণ বিবৃতিটি ঊনবিংশ শতাব্দীর মাঝামাঝি সময়ে এনট্রপি (S) নামক একটি রাশির মাধ্যমে প্রণয়ন করা হয়েছিল। এনট্রপি সর্বপ্রথম ক্লসিয়াস দ্বারা প্রবর্তিত হয়েছিল এবং কার্নো চক্র (পূর্ণাঙ্গ তাপীয় ইঞ্জিন) থেকে এটি প্রণয়ন করা হয়েছিল। ক্লসিয়াসের মতে, একটি সিস্টেম স্থির তাপমাত্রায় অতিরিক্ত তাপ (Q) পেলে এনট্রপি পরিবর্তন অনুভব করে, যা নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা হয়:

আরও পড়ুন

Article about Coefficient of performance of the cooling machine

A cooling machine is a machine that takes heat from a low-temperature place, then transfers it to a high-temperature area. For this process to happen, the machine must do the work because the heat naturally flows from high temperature to low temperature. This is by Clausius’s statement:

It is impossible for a cooling machine to transfer heat from a low-temperature place to a high-temperature place, without work (Second law of thermodynamics—Clausius statement).

The machine works (W) to transfer heat, from low temperature (Q_L) to high temperature (Q_H). Based on conservation of energy, Q_L + W = Q_H.

আরও পড়ুন

কীভাবে দক্ষতা বৃদ্ধি করা যায় তা জানতে গরম ১৮২৪ সালে সাদি কার্নো (১৭৯৬-১৮৩২) নামক একজন ফরাসি বিজ্ঞানী একটি আদর্শ তাত্ত্বিক ক্যালোরিক ইঞ্জিন পরীক্ষা করেন। সেই সময়ে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র বা দ্বিতীয় সূত্র প্রণীত হয়নি। প্রথম সূত্রটি প্রণীত হয়নি কারণ বিজ্ঞানীরা তখনও জানতেন না যে তাপই শক্তি। ১৮৩০-এর দশকে জুল এবং তাঁর সহকর্মীদের পরীক্ষার পর বিজ্ঞানীরা আবিষ্কার করেন যে, তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে তাপ হলো স্থানান্তরিত শক্তি। তাই, তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রটি ১৮৩০ সালের পরে প্রণীত হয়েছিল। সাদি কার্নো ১৮২৪ সালে তাত্ত্বিক আদর্শ ক্যালোরিক ইঞ্জিন নিয়ে গবেষণা করছিলেন। তাঁর গবেষণার মূল উদ্দেশ্য ছিল বাষ্পীয় ইঞ্জিনের কার্যকারিতা বৃদ্ধি করা। সেই সময়ের বেশিরভাগ বাষ্পীয় ইঞ্জিনই কম কার্যকর ছিল।

আরও পড়ুন