দশার পরিবর্তন, সংকট তাপমাত্রা, ত্রৈধ বিন্দু

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।

সুতরাং গ্যাসের অণুগুলো চুম্বকের মতো আচরণ করে। যখন অণুগুলোর মধ্যকার দূরত্ব যথেষ্ট কমে আসে, তখন অণুগুলো একে অপরকে আকর্ষণ করে। এই আকর্ষণ বলের কারণে অণুগুলোর মধ্যকার দূরত্ব কমে আসে (গ্যাসের আয়তন কমে যায়)। সাধারণত, এটি তখনই ঘটে যখন গ্যাসের চাপ যথেষ্ট বেশি থাকে (বেশি চাপে আয়তন কম হয়। আয়তন কম হলে অণুগুলোর মধ্যকার দূরত্ব কমে আসে)। অতএব, বাস্তব গ্যাসের চাপ এবং ঘনত্ব বেশি হলে আদর্শ গ্যাস সূত্র সঠিক ফলাফল দেয় না।

চাপ বনাম চাপ আয়তনের চিত্র

উপরের সমস্যাটি আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য, আসুন ডায়াগ্রামটি পর্যালোচনা করি, যা গ্যাসের চাপ এবং আয়তনের মধ্যে সম্পর্কটি বর্ণনা করে। বক্ররেখা ১, ২, ৩ এবং ৪ বিভিন্ন তাপমাত্রায় গ্যাসের একই আচরণ দেখায়। বক্ররেখা ১-এ দেখানো গ্যাসের তাপমাত্রা বক্ররেখা ২-এর চেয়ে বেশি। বক্ররেখা ২-এ দেখানো গ্যাসের তাপমাত্রা বক্ররেখা ৩-এর চেয়ে বেশি। বক্ররেখা ৩-এ দেখানো গ্যাসের তাপমাত্রা বক্ররেখা ৪-এর চেয়ে বেশি। বক্ররেখাটি হলো ডায়াগ্রামের মাঝখানের তির্যক রেখাটি। গ্যাসের তাপমাত্রা সর্বদা স্থির থাকে, যা কেবল গ্যাসের চাপ (P) এবং আয়তন (V) পরিবর্তন করে।

আদর্শ গ্যাস সূত্র অনুসারে, ১ নম্বর থেকে শুরু হওয়া রেখাটি অবশ্যই ১ নম্বরে শেষ হবে। একইভাবে, ২ নম্বর থেকে শুরু হওয়া রেখাটি অবশ্যই ২ নম্বরে থামবে। বাস্তব গ্যাসের ক্ষেত্রে যে বাস্তবতা দেখা যায়, তা আদর্শ গ্যাস সূত্রের পূর্বাভাসের সাথে মেলে না। যখন গ্যাসের চাপ যথেষ্ট বেশি হয়, তখন গ্যাসের আয়তন কমে যায় এবং আদর্শ গ্যাস সূত্রের পূর্বাভাস থেকে বিচ্যুত হয় (বক্ররেখা ১ এবং বক্ররেখা ২-এর সাথে তুলনা করুন)। গ্যাসের আয়তনের এই বিচ্যুতির পরিমাণ তাপমাত্রার উপরও নির্ভর করে। যদি গ্যাসের তাপমাত্রা কম থাকে এবং গলনাঙ্ক বা স্ফুটনাঙ্কের (বিন্দু খ) কাছাকাছি পৌঁছায়, তবে উচ্চ তাপমাত্রার তুলনায় গ্যাসের আয়তনে সাধারণত আরও উল্লেখযোগ্য বিচ্যুতি ঘটে (বক্ররেখা ১, ২, ৩ এবং ৪-এর সাথে তুলনা করুন)। এটি গ্যাসের অণুগুলোর মধ্যে আকর্ষণের উপস্থিতির দ্বারা প্রভাবিত হয়, যেমনটি আগে ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

উপরের চিত্রে বক্ররেখা ৩ একটি পদার্থের সংকট তাপমাত্রায় তার আচরণ দেখায়। বক্ররেখা তিন দ্বারা অতিক্রম করা বিন্দু c-কে সংকট বিন্দু বলা হয়। সংকট তাপমাত্রার চেয়ে বেশি তাপমাত্রায়, গ্যাসীয় পদার্থ তরলে পরিবর্তিত হতে পারে না, এমনকি যদি একে যথেষ্ট চাপ দেওয়া হয় (বক্ররেখা ২ এবং বক্ররেখা ১-এর সাথে তুলনা করুন)। প্রদত্ত চাপ কেবল গ্যাসের আয়তন কমায়, কিন্তু গ্যাসকে তরলে রূপান্তরিত করতে পারে না। বিপরীতভাবে, সংকট তাপমাত্রার চেয়ে কম তাপমাত্রায়, পরম চাপ প্রয়োগ করা হলে গ্যাস তরলে পরিবর্তিত হবে (বক্ররেখা ৩-এর সাথে তুলনা করুন)। যে পরিমাণ চাপ একটি সংকট তাপমাত্রায় গ্যাসকে তরলে পরিণত করতে পারে, তাকে সংকট চাপ বলা হয়। প্রতিটি পদার্থের সংকট তাপমাত্রা এবং সংকট চাপ ভিন্ন ভিন্ন হয়।

উপরের চিত্রে বক্ররেখা ৪ গ্যাস থেকে তরলে রূপান্তরের প্রক্রিয়াটি দেখায়। ছায়াযুক্ত এলাকাটি (পাহাড়ের মতো দেখতে) এমন একটি এলাকা যেখানে গ্যাস এবং তরল সাম্যাবস্থায় থাকে। প্রথমে, গ্যাসের আয়তন বেশি থাকে। গ্যাসের চাপ বাড়ার পর, গ্যাসের আয়তন কমতে থাকে যতক্ষণ না এটি 'b' বিন্দুতে পৌঁছায় ('b' বিন্দুটি হলো গলনাঙ্ক, যা স্ফুটনাঙ্ক নামেও পরিচিত)। 'b' বিন্দুতে পৌঁছানোর পর, গ্যাস তরলে পরিণত হতে শুরু করে। গ্যাস থেকে তরলে রূপান্তরের প্রক্রিয়ার সময় ('b' বিন্দু থেকে 'a' বিন্দু পর্যন্ত), চাপের কোনো বৃদ্ধি না হওয়া সত্ত্বেও পদার্থটির আয়তন কমতে থাকে (যা একটি সরলরেখা দ্বারা চিহ্নিত)। 'a' বিন্দুতে, সমস্ত গ্যাস তরলে পরিণত হয়। 'a' বিন্দুতে পৌঁছানোর পর পদার্থটির উপর চাপ প্রয়োগ করলে আয়তনের পরিবর্তন সামান্যই হয় (যা একটি খুব খাড়া বক্ররেখা দ্বারা চিহ্নিত)।

দৈনন্দিন জীবনে আমরা প্রায়শই বাষ্প এবং গ্যাস শব্দ দুটি ব্যবহার করি। যেমন, জলীয় বাষ্প বা নাইট্রোজেন গ্যাস। আমরা জলীয় বাষ্পকে কদাচিৎ জলীয় গ্যাস বলি, যদিও জলীয় বাষ্প হলো জল থেকে উৎপন্ন একটি গ্যাস। একইভাবে নাইট্রোজেন, অক্সিজেন ইত্যাদির ক্ষেত্রেও। নাইট্রোজেন বা অক্সিজেনকে সাধারণত গ্যাস বলা হয়। গ্যাস এবং বাষ্পের অর্থ ভিন্ন। যদি কোনো পদার্থ থেকে উৎপন্ন গ্যাস ওই পদার্থের সংকট তাপমাত্রার নিচে থাকে, তবে আমরা তাকে বাষ্প বলি। বিপরীতভাবে, যদি কোনো পদার্থ থেকে উৎপন্ন গ্যাস ওই পদার্থের সংকট তাপমাত্রার উপরে থাকে, তবে আমরা তাকে গ্যাস বলি।

চাপ বনাম তাপমাত্রার চিত্র (দশা চিত্র)

পূর্বে চাপ বনাম আয়তন ডায়াগ্রাম ব্যবহার করে পদার্থের আচরণ বর্ণনা করা হয়েছে। পিভি ডায়াগ্রাম ব্যবহারের পাশাপাশি, চাপ (P) বনাম তাপমাত্রা (T) ডায়াগ্রাম ব্যবহার করেও পদার্থের আচরণ ব্যাখ্যা করা যায়। পিটি ডায়াগ্রামকে সাধারণত ফেজ ডায়াগ্রাম বলা হয়। একে ফেজ ডায়াগ্রাম বলা হয় কারণ এই ডায়াগ্রামটি কোনো পদার্থের বিভিন্ন দশার তুলনা করতে ব্যবহৃত হয়। যে সকল পদার্থ প্রায়শই দশা পরিবর্তন করে, তাদের মধ্যে একটি হলো পানি।

চিত্রটিতে তিনটি রেখাচিত্র রয়েছে, যথা বাষ্পীভবন রেখাচিত্র, গলন রেখাচিত্র এবং ঊর্ধ্বপাতন রেখাচিত্র।

বাষ্পীভবন রেখা সেই বিন্দুগুলো দেখায় যেখানে তরল এবং বাষ্প সাম্যাবস্থায় থাকে। যে বিন্দুতে তরল এবং বাষ্প সাম্যাবস্থায় থাকে, তাকে গলনাঙ্ক বা স্ফুটনাঙ্ক বলা হয় (একে গলনাঙ্ক বলা হয় কারণ এই বিন্দুতে বাষ্প গলে জলে পরিণত হতে পারে। একে স্ফুটনাঙ্ক বলা হয় কারণ এই বিন্দুতে জল ফুটে বাষ্পে পরিণত হতে পারে)। সুতরাং, বাষ্পীভবন রেখা আসলে একটি লেখচিত্র যা চাপ (P) এবং স্ফুটনাঙ্ক/গলনাঙ্কের মধ্যে সম্পর্ক প্রকাশ করে। দেখা যায় যে, চাপ যত কম হয়, জলের স্ফুটনাঙ্ক তত কম হয়, অথবা চাপ যত বেশি হয়, জলের স্ফুটনাঙ্ক তত বেশি হয়। ১ atm চাপে জলের স্ফুটনাঙ্ক তাপমাত্রা হলো ১০০ ^° C। বিপরীতভাবে, ২১৮ atm চাপে জলের স্ফুটনাঙ্ক তাপমাত্রা হলো ৩৭৪ ^° C।

^{২১৮ atm চাপকে পানির সংকট চাপ বলা হয়, এবং ৩৭৪ °} সেলসিয়াস তাপমাত্রাকেও পানির সংকট তাপমাত্রা বলা হয়। যদি বাষ্পের তাপমাত্রা ৩৭৪ ^{° সেলসিয়াসের কম হয়, তবে ৩৭৪ °} সেলসিয়াস চাপ প্রয়োগ করলে বাষ্প তার দশা পরিবর্তন করে তরলে পরিণত হতে পারে। তাপমাত্রা ২১৮ ^° সেলসিয়াসের বেশি হলে চাপ প্রয়োগে বাষ্প তরলে পরিণত হতে পারে না।

গলনাঙ্ক রেখা সেই বিন্দুগুলো দেখায় যেখানে তরল এবং কঠিন অবস্থা সাম্যাবস্থায় থাকে। যে বিন্দুতে তরল এবং কঠিন অবস্থা সাম্যাবস্থায় থাকে, তাকে গলনাঙ্ক বা হিমাঙ্ক বলা হয় (একে গলনাঙ্ক বলা হয় কারণ এই বিন্দুতে বরফ গলে জলে পরিণত হতে পারে। একে হিমাঙ্ক বলা হয় কারণ, এই বিন্দুতে, জল জমে বরফ হতে পারে)। সুতরাং, গলনাঙ্ক রেখা হলো একটি লেখচিত্র যা চাপ (P) এবং গলনাঙ্ক বা হিমাঙ্ক তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক প্রকাশ করে। ১ atm চাপে, জলের হিমাঙ্ক (বা বরফের গলনাঙ্ক) = ০ ^° C। এর বিপরীতে, ২১৮ atm চাপের ক্ষেত্রে জলের হিমাঙ্ক (বা বরফের গলনাঙ্ক) ০ ^° C-এর চেয়ে কম। উল্লেখ্য যে, ১ atm চাপে জল তরল অবস্থায় থাকে যদি তাপমাত্রা ০°C এবং ১০০ ^° C-এর মধ্যে হয়। জল কঠিন অবস্থায় থাকে যদি, ১ atm চাপে, তাপমাত্রা ০ ^° C-এর কম হয় অথবা জল বাষ্প অবস্থায় থাকে যদি, ১ atm চাপে, তাপমাত্রা ১০০ ^° C অতিক্রম করে।

ঊর্ধ্বপাতন রেখা সেই বিন্দুগুলো দেখায় যেখানে কঠিন ও বাষ্প সাম্যাবস্থায় থাকে। সাম্যাবস্থাকে ঊর্ধ্বপাতন বিন্দু বলা হয়। সুতরাং, ঊর্ধ্বপাতন রেখাচিত্র হলো এমন একটি লেখচিত্র যা চাপ (P) এবং ঊর্ধ্বপাতন বিন্দুর তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক প্রকাশ করে। ঊর্ধ্বপাতন হলো তরল অবস্থার মধ্য দিয়ে না গিয়ে কঠিন পদার্থকে বাষ্পে পরিণত করার প্রক্রিয়া। সাধারণত, ঊর্ধ্বপাতন কেবল নিম্নচাপেই ঘটে। বরফ কেবল তখনই ঊর্ধ্বপাতিত হতে পারে যদি তাপমাত্রা ০.০১° সেলসিয়াসের কম হয়। ^oC এবং চাপ ০.০০৬ atm-এর চেয়ে কম। যে বিন্দুতে তিনটি বক্ররেখা ছেদ করে, তাকে ট্রিপল পয়েন্ট বলা হয়।

নিচে কার্বন ডাইঅক্সাইডের একটি দশা চিত্র দেওয়া হলো। লক্ষ্য করুন যে, জলের দশা চিত্র এবং কার্বন ডাইঅক্সাইডের দশা চিত্রের স্কেল রৈখিক নয়।