মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানের টিউটোরিয়াল

অপরিবর্তনীয় তাপগতিবিদ্যার প্রক্রিয়াগুলো ব্যাখ্যা করার জন্য বিজ্ঞানীরা তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র প্রণয়ন করেন। তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র ব্যাখ্যা করে যে মহাবিশ্বে কোন প্রক্রিয়াগুলো ঘটতে পারে এবং কোন প্রক্রিয়াগুলো ঘটতে পারে না। আর. জে. ই. ক্লসিয়াস (১৮২২-১৮৮৮) নামক একজন বিজ্ঞানী নিম্নলিখিত বিবৃতিটি দিয়েছিলেন:

স্বাভাবিকভাবেই, তাপ উচ্চ-তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন-তাপমাত্রার বস্তুতে প্রবাহিত হয়; স্বাভাবিকভাবেই, তাপ নিম্ন-তাপমাত্রার বস্তু থেকে উচ্চ-তাপমাত্রার বস্তুতে যায় না (তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র—ক্লাউসিয়াসের উক্তি)।

ক্লসিয়াসের বিবৃতিটি তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের বিশেষ বিবৃতিগুলোর মধ্যে অন্যতম। একে বিশেষ বিবৃতি বলা হয় কারণ এটি শুধুমাত্র তাপ স্থানান্তর সম্পর্কিত একটি প্রক্রিয়ার ক্ষেত্রেই প্রযোজ্য। যেহেতু এই বিবৃতিটি অন্যান্য প্রক্রিয়ার সাথে সম্পর্কিত নয়, তাই আমাদের একটি আরও সাধারণ বিবৃতির প্রয়োজন। তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের একটি সাধারণ বিবৃতির বিকাশ তাপীয় ইঞ্জিন অধ্যয়নের উপর ভিত্তি করে গড়ে উঠেছে। তাই, আমরা প্রথমে ইঞ্জিনের তাপ নিয়ে আলোচনা করব।

আরও পড়ুন

প্রবন্ধ তাপগতিবিদ্যার প্রক্রিয়া : সমতাপীয় রুদ্ধতাপীয় সমআয়তনীয় সমচাপীয়

তাপগতিবিদ্যার চারটি প্রক্রিয়া রয়েছে, যথা সমতাপীয়, সমায়তন, সমচাপীয় এবং রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া।

সমতাপীয় প্রক্রিয়া (স্থির তাপমাত্রা)

সমতাপীয় প্রক্রিয়ায়, সিস্টেমের তাপমাত্রা স্থির রাখা হয়। তাত্ত্বিকভাবে, বিশ্লেষিত সিস্টেমটি একটি আদর্শ গ্যাস। আদর্শ গ্যাসের তাপমাত্রা আদর্শ অভ্যন্তরীণ গ্যাস শক্তির (U = 3/2 n RT) সাথে সরাসরি সমানুপাতিক। T পরিবর্তিত হয় না, তাই U-ও পরিবর্তিত হয় না। সুতরাং, সমতাপীয় প্রক্রিয়ায় প্রয়োগ করলে, তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রের সমীকরণটি দাঁড়ায়:

আরও পড়ুন

তাপগতিবিদ্যা প্রক্রিয়া

তাপ (Q) হলো সেই শক্তি যা তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে এক বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে স্থানান্তরিত হয়। সিস্টেম এবং পরিবেশের ক্ষেত্রে, তাপ হলো তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে সিস্টেম থেকে পরিবেশে অথবা পরিবেশ থেকে সিস্টেমে স্থানান্তরিত শক্তি। যদি সিস্টেমের তাপমাত্রা পারিপার্শ্বিক তাপমাত্রার চেয়ে বেশি হয়, তবে তাপ সিস্টেম থেকে পরিবেশে প্রবাহিত হবে। যদি পারিপার্শ্বিক তাপমাত্রা সিস্টেমের তাপমাত্রার চেয়ে বেশি হয়, তবে তাপ পরিবেশ থেকে সিস্টেমে প্রবাহিত হবে।

তাপ (Q) হলো তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে স্থানান্তরিত শক্তি, অপরদিকে কাজ (W) হলো কাজের মাধ্যমে শক্তি স্থানান্তর। উদাহরণস্বরূপ, যদি সিস্টেমটি পরিবেশের উপর কাজ করে, তাহলে শক্তি সিস্টেম থেকে পরিবেশে স্থানান্তরিত হয়। বিপরীতভাবে, যদি পরিবেশ সিস্টেমের উপর কাজ করে, তাহলে শক্তি পরিবেশ থেকে সিস্টেমে স্থানান্তরিত হয়।

আরও পড়ুন

অস্থিতিস্থাপক সংঘর্ষ

অস্থিতিস্থাপক সংঘর্ষে গতিশক্তির সংরক্ষণ সূত্র প্রযোজ্য নয়। অস্থিতিস্থাপক সংঘর্ষে ভরবেগের সংরক্ষণ সূত্র তখনই প্রযোজ্য হয়, যখন সংঘর্ষরত দুটি বস্তুর উপর কোনো বাহ্যিক বল কাজ করে না। অস্থিতিস্থাপক সংঘর্ষে, সংঘর্ষের পর দুটি বস্তু একে অপরের সাথে লেগে যায় বা সংযুক্ত হয়ে যায়।

উদাহরণ প্রশ্ন ১।

দুটি বস্তুর ভর একই, অর্থাৎ ১ কেজি। বস্তু ১ একটি সমতল পৃষ্ঠে ১০ মি/সে বেগে গতিশীল এবং স্থির বস্তু ২-এর সাথে সংঘর্ষ ঘটায়। সংঘর্ষের পর বস্তু দুটি একসাথে লেগে যায়। সংঘর্ষের পর বস্তু দুটির গতিবেগ কত?

আরও পড়ুন

আংশিক স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষ

আংশিক স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষে ভরবেগের সংরক্ষণ সূত্র প্রযোজ্য, কিন্তু গতিশক্তির সংরক্ষণ সূত্র প্রযোজ্য নয়। সংঘর্ষ ঘটার সময় কিছু গতিশক্তি শব্দশক্তি, তাপশক্তি এবং অভ্যন্তরীণ শক্তিতে রূপান্তরিত হয়। 'স্থিতিস্থাপক' শব্দটির ব্যবহার থেকে বোঝা যায় যে, সংঘর্ষের পর বস্তু দুটি একে অপরের সাথে লেগে না গিয়ে ছিটকে যায়।

আংশিক স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষের একটি উদাহরণ হলো দুটি মার্বেল বা দুটি পুল বলের একমাত্রিক সংঘর্ষ।

আরও পড়ুন

রৈখিক ভরবেগের সংরক্ষণ

Law of conservation of linear momentum states that if there is no external force acting on two colliding objects, the momentum of the objects before the collision is equal to the momentum of the objects after the collision.

p₁ + পি₂ = পি₁ ’ + p₂ ………………….. সমীকরণ ১.৫

m₁ v₁ + মি₂ v₂ = মি₁ v₁ ' + m₂ v₂ '

If after collision both objects stick together,

m₁ v₁ + মি₂ v₂ = (মি₁ + মি₂ ) v'

আরও পড়ুন

পুরোপুরি স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষ

দুটি বস্তুর সংঘর্ষকে পূর্ণ স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষ বলা হয়, যদি সংঘর্ষের পূর্বে প্রতিটি বস্তুর ভরবেগ বা গতিশক্তি এবং সংঘর্ষের পরে প্রতিটি বস্তুর ভরবেগ ও গতিশক্তি সমান হয়। অন্য কথায়, পূর্ণ স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষের ক্ষেত্রে ভরবেগের সংরক্ষণ সূত্র এবং গতিশক্তির সংরক্ষণ সূত্র প্রযোজ্য। 'স্থিতিস্থাপক' শব্দটির ব্যবহার থেকে বোঝা যায় যে, সংঘর্ষের পরে বস্তু দুটি একে অপরের সাথে লেগে থাকে না বা সংযুক্ত হয় না, বরং ছিটকে যায়। প্রতিটি বস্তুর ভরবেগ সংরক্ষিত থাকে।

প্রতিটি বস্তুর ভরবেগ সংরক্ষিত থাকে।

আরও পড়ুন

কার্য-যান্ত্রিক শক্তি নীতি

কৃতকার্য-গতিশক্তি উপপাদ্য অনুসারে, কৃত মোট কাজ বা মোট বল দ্বারা কৃত কাজ গতিশক্তির পরিবর্তনের সমান।

W_নেট = প্রতি_t – প্রতি_o = 1⁄2 m(v_t² - v_o²)

W_নেট বল দুই প্রকারের হয়, যথা সংরক্ষণশীল বল এবং অসংরক্ষণশীল বল। সুতরাং, মোট কাজকে একটি সংরক্ষণশীল বল দ্বারা কৃত কাজ এবং একটি অসংরক্ষণশীল বল দ্বারা কৃত কাজের সমষ্টি হিসেবে বিবেচনা করা যেতে পারে।

W_c + ডাব্লু_nc = ΔKE

আরও পড়ুন

সংরক্ষণশীল বল দ্বারা কৃত কাজ বিভব শক্তি

এমন একটি বস্তু পর্যবেক্ষণ করুন যা উল্লম্বভাবে উপরের দিকে ওঠে এবং সর্বোচ্চ উচ্চতায় পৌঁছানোর পর তার প্রাথমিক অবস্থানে ফিরে আসে। যখন বস্তুটি উল্লম্বভাবে উপরের দিকে ওঠে, তখন এর ওজন বস্তুটির উপর ঋণাত্মক কাজ করে। বস্তুটি উপরের দিকে ওঠার সময় এর উচ্চতা বৃদ্ধি পায়। সুতরাং, বস্তুটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তিও বৃদ্ধি পায়। এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, ওজন দ্বারা কৃত ঋণাত্মক কাজ বস্তুটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তির (PE) বৃদ্ধির সমান।

আরও পড়ুন

রক্ষণশীল শক্তি এবং অ-রক্ষণশীল শক্তি

১. রক্ষণশীল শক্তি

১.১ ওজন (w)

এমন একটি বস্তু পর্যবেক্ষণ করুন যা উল্লম্বভাবে উপরের দিকে উঠে সর্বোচ্চ উচ্চতায় পৌঁছানোর পর তার প্রাথমিক অবস্থানে ফিরে আসে। যখন বস্তুটি h পরিমাণ উল্লম্বভাবে উপরের দিকে ওঠে, তখন তার ওজনের কাজের দিক সরণের বিপরীত হয়। সুতরাং, ওজনটি বস্তুটির উপর ঋণাত্মক কাজ করে। 

W = wh (cos 180^o) = – wh = – mgh

সর্বোচ্চ উচ্চতায় পৌঁছানোর পর, বস্তুটি h পরিমাণ নিচে তার প্রাথমিক অবস্থানে নেমে আসে। নিচে নামার সময়, ওজনটি সরণের দিকেই থাকে। যেহেতু এটি সরণের দিকে থাকে, তাই ওজনটি ধনাত্মক কাজ করে।

আরও পড়ুন