বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তর

১. বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের সংজ্ঞা

গরমের দিনে কালো পোশাক পরলে বা দিনের বেলায় ব্যায়াম করলে কেমন লাগে? সাদা পোশাক পরার সাথে তুলনা করলে কেমন লাগে? দিনের বেলায় কালো পোশাক পরলে গরম লাগে। এর কারণ কী? সকালে সূর্য ও পৃথিবীর মধ্যকার দূরত্ব, দিন ও সন্ধ্যায় সূর্য ও পৃথিবীর মধ্যকার দূরত্ব প্রায় একই থাকে। তাহলে সকাল ও সন্ধ্যায় কেন বেশি ঠান্ডা এবং দিনে বেশি গরম লাগে? এই প্রশ্নগুলোর উত্তর বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের সাথে সম্পর্কিত।

বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তর হলো তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের আকারে তাপ স্থানান্তর। বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের উদাহরণ হলো চুল্লির কাছে থাকলে আপনার শরীরের উষ্ণতা এবং সূর্য থেকে পৃথিবীতে তাপের স্থানান্তর। সূর্যের তাপমাত্রা বেশি (প্রায় ৬০০০ কেলভিন), অন্যদিকে পৃথিবীর তাপমাত্রা কম। সূর্য ও পৃথিবীর মধ্যে তাপমাত্রার এই পার্থক্যের কারণে তাপ সূর্য (বেশি তাপমাত্রা) থেকে পৃথিবীতে (কম তাপমাত্রা) স্থানান্তরিত হয়। যদি সূর্য থেকে পৃথিবীতে তাপ স্থানান্তরের জন্য কোনো মধ্যস্থতাকারী বা মাধ্যমের প্রয়োজন হয়, যেমন পরিবহন এবং পরিচলনের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের ক্ষেত্রে, তাহলে তাপ পৃথিবীতে পৌঁছাতে পারে না; তাপকে অবশ্যই একটি শূন্যস্থানের (বা প্রায় খালি) মধ্য দিয়ে যেতে হয়। যদি সূর্য থেকে কোনো তাপ না আসে, তাহলে পৃথিবীতে প্রাণের অস্তিত্ব কখনোই থাকবে না, কারণ প্রাণের জন্য সূর্য থেকে শক্তির প্রয়োজন হয়।

বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের আরেকটি উদাহরণ হলো আগুনের শিখার কাছে গেলে আমরা যে তাপ অনুভব করি। আমরা যে তাপ অনুভব করি তা আগুনের শিখার কারণে বাতাস অতিরিক্ত গরম হয়ে যাওয়ার ফলে হয় না। যেমনটা আগে ব্যাখ্যা করা হয়েছে, গরম বাতাস প্রসারিত হয়, ফলে এর ঘনত্ব কমে যায়। এর ফলে, কম ঘনত্বের বাতাস অনুভূমিকভাবে আমাদের দিকে না এসে উল্লম্বভাবে উপরের দিকে চলে যায়। আগুনের শিখার কাছে থাকলে আমাদের শরীর উষ্ণ বা গরম অনুভূত হয়, কারণ তাপ বিকিরণের মাধ্যমে আগুনের শিখা (উচ্চ তাপমাত্রা) থেকে আমাদের শরীরে (নিম্ন তাপমাত্রা) স্থানান্তরিত হয়।

বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তর, পরিবহন এবং পরিচলনের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের তুলনায় কিছুটা ভিন্ন। পরিবহন এবং পরিচলনের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তর ঘটে যখন তাপমাত্রার পার্থক্যযুক্ত বস্তুগুলো একে অপরকে স্পর্শ করে। অন্যদিকে, বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তর স্পর্শ ছাড়াই ঘটতে পারে।

২. বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের সমীকরণ

বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের হার বস্তুর ক্ষেত্রফল এবং বস্তুর পরম তাপমাত্রার (কেলভিন স্কেল) সমানুপাতিক। যেসব বস্তুর পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল বেশি, সেগুলোর তাপ স্থানান্তরের হার কম পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফলযুক্ত বস্তুর চেয়ে বেশি।

একইভাবে, উদাহরণস্বরূপ, ২০০০ কেলভিন তাপমাত্রার বস্তুর তাপ স্থানান্তর হার হলো ২⁴ ১০০০ কেলভিন তাপমাত্রার বস্তুর তুলনায় ১৬ গুণ বেশি। এই ফলাফলটি ১৮৭৯ সালে জোসেফ স্টেফান আবিষ্কার করেন এবং প্রায় পাঁচ বছর পরে লুডভিগ বোল্টজম্যান এটি তাত্ত্বিকভাবে প্রতিপাদন করেন।

Q = তাপ, t = সময়, A = বস্তুর পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (m²)²), T = বস্তুর পরম তাপমাত্রা (কেলভিন), e = বিকিরণ ক্ষমতা (একটি মাত্রাহীন সংখ্যা যার মান ০ থেকে ১ পর্যন্ত), σ = ৫.৬৭ x ১০^-8 ওয়াট / মি².K⁴ (সার্বজনীন ধ্রুবক। একে স্টেফান-বোল্টজম্যান ধ্রুবকও বলা হয়), Q/t = বিকিরণের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরের হার

গাঢ় পৃষ্ঠযুক্ত (কালো) বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা ১-এর কাছাকাছি হয়, অন্যদিকে হালকা রঙের বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা ০-এর কাছাকাছি হয়। কোনো বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা যত বেশি হয় (e, ১-এর কাছাকাছি), বস্তুটি থেকে নির্গত তাপের হারও তত বেশি হয়। বিপরীতভাবে, কোনো বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা যত কম হয় (e, ০-এর কাছাকাছি), নির্গত তাপের হারও তত কম হয়। আমরা বলতে পারি যে, সাধারণত গাঢ় রঙের বস্তু (কালো) হালকা রঙের বস্তুর (সাদা) চেয়ে বেশি তাপ নির্গত করে।

বিকিরণ ক্ষমতার পরিমাণ শুধু কোনো বস্তুর তাপ নির্গমনের ক্ষমতাই নির্ধারণ করে না, বরং অন্য বস্তু দ্বারা নির্গত তাপ শোষণ করার ক্ষমতাও নির্ধারণ করে। যেসব বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা ১-এর কাছাকাছি (গাঢ় রঙের বস্তু), সেগুলো নিজেদের উপর নির্গত প্রায় সমস্ত তাপ শোষণ করে নেয়। এর একটি ক্ষুদ্র অংশই কেবল প্রতিফলিত হয়। বিপরীতভাবে, যেসব বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা ০-এর কাছাকাছি (হালকা রঙের বস্তু), সেগুলো নিজেদের উপর নির্গত সামান্য তাপ শোষণ করে। বেশিরভাগ তাপই বস্তুটি দ্বারা প্রতিফলিত হয়। যে বস্তু তার উপর নির্গত সমস্ত তাপ শোষণ করে, তার বিকিরণ ক্ষমতা = ১। এই ধরনের বস্তুকে “কালো বস্তু” বলা হয়। কালো বস্তু শব্দটি দিয়ে এটা বোঝানো হয় না যে বস্তুগুলো কালো, বরং এটি বস্তুর উপর নির্গত সমস্ত তাপ শোষণ করার ক্ষমতাকে বোঝায়।

3. সূর্য থেকে নির্গত তাপের হার

গণনার ভিত্তিতে (বাস্তবতা অনুসারে), দেখা গেছে যে সূর্য থেকে পৃথিবীতে প্রতি সেকেন্ডে প্রতি বর্গমিটারে ১৩৫০ জুল তাপ স্থানান্তরিত হয়। একটি উজ্জ্বল দিনে (মেঘহীন আকাশ), পৃথিবীর পৃষ্ঠে প্রতি সেকেন্ডে প্রতি বর্গমিটারে ১০০০ জুল তাপ এসে পৌঁছায়। একটি রৌদ্রোজ্জ্বল দিনে (অনেক মেঘ থাকলে), প্রায় ৭০% তাপ পৃথিবীর বায়ুমণ্ডল দ্বারা শোষিত হয়, মাত্র ৩০% তাপ পৃথিবীর পৃষ্ঠে এসে পৌঁছায়। পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে যে পরিমাণ তাপ বিলীন হয়, তা মেঘের সংখ্যা বেশি বা কম হওয়ার উপর নির্ভর করে। প্রতি সেকেন্ডে প্রতি বর্গমিটারে ১৩৫০ জুল তাপের এই পরিমাণটি সঞ্চারিত তাপ হিসাবে পরিচিত। সৌর ধ্রুবকযেহেতু জুল প্রতি সেকেন্ড (J/s) = ওয়াট, তাই আমরা এটিকে পুনরায় লিখতে পারি। সৌর ধ্রুবক প্রতি বর্গমিটারে ১৩৫০ ওয়াট = ১৩৫০ ওয়াট/মি²

সূর্য থেকে নির্গত তাপ যখন পৃথিবীর পৃষ্ঠে এসে পৌঁছায়, তখন সেই তাপ পৃথিবী এবং এর পৃষ্ঠের বস্তুগুলো দ্বারা শোষিত হয়। তাপ শোষণের হার বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা (e), বস্তুর পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল এবং বস্তুর পৃষ্ঠের উপর লম্ব একটি রেখার সাথে সূর্যালোকের দ্বারা সৃষ্ট কোণের উপর নির্ভর করে।

তথ্য:
Q/t = তাপ শোষণ হার, 1000 W/m² φ = সৌর ধ্রুবক, e = বস্তুর বিকিরণ ক্ষমতা, A = বস্তুর পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল, θ = বস্তুর পৃষ্ঠের উপর লম্ব রেখার সাথে সূর্যালোক দ্বারা সৃষ্ট কোণ,

A cos θ = কার্যকরী ক্ষেত্রফল (সূর্যালোকের সাথে লম্বভাবে থাকা বস্তুর উপাংশের পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল)

দিনের বেলায়, সূর্যের রশ্মি ভূপৃষ্ঠের উপর লম্ব একটি রেখার সমান্তরালে থাকে অথবা তার সাথে মিলে যায় (সৃষ্ট কোণ = ০)।

নিম্ন গঠিত = ০^oসুতরাং, তাপ শোষণ হার হলো:

তাপ শোষণ হার (Q/t) সর্বোচ্চ হয় যদি ভূপৃষ্ঠের উপর লম্ব একটি রেখার সাথে সূর্যালোক দ্বারা সৃষ্ট কোণ = 0 হয়।^o (cos θ = 1)। সাধারণত, এটি দিনের বেলায় ঘটে, যখন সূর্য পৃথিবীর পৃষ্ঠের সাথে লম্বভাবে থাকে। তাই, দিনের আলো সকাল বা সন্ধ্যার চেয়ে বেশি গরম হলে অবাক হওয়ার কিছু নেই। সকাল এবং সন্ধ্যায়, সৃষ্ট কোণটি প্রায় ৯০° এর কাছাকাছি থাকে।^o.

যদি গঠিত কোণটি ৮০° হয়^oতাহলে তাপ শোষণ হার হলো:

সকাল ও সন্ধ্যায় তাপ শোষণ হার (Q/t) সর্বনিম্ন হয়, কারণ এই সময়ে cos θ-এর মান শূন্যের কাছাকাছি থাকে। cos θ যত ছোট হয়, তাপ শোষণ হারও তত কম হয়।

পশ্চিম দিগন্তে সূর্যাস্তের সময় অথবা পূর্ব দিগন্তে সূর্যোদয়ের মুহূর্তে, সৃষ্ট কোণ = ৯০^o.

কারণ গঠিত কোণটি ৯০°^oতাপ শোষণ হার হলো:

সূর্যাস্তের সময় বা সূর্য ওঠার ঠিক আগে তাপ শোষণ হার (Q/t) = ০।