বিভিন্ন বস্তুর আপেক্ষিক তাপের বর্ণনা

বিভিন্ন বস্তুর আপেক্ষিক তাপের বর্ণনা – নিয়ে আজকের আলোচনা। এই পাঠটি এনসিটিবিরি এসএসসির “পদার্থবিজ্ঞান” বিষয়ের “পদার্থের তাপ ধারণ ক্ষমতা” অধ্যায়ের একটি পাঠ। পদার্থবিজ্ঞান পদার্থ ও তার গতির বিজ্ঞান। বাংলায় “পদার্থবিজ্ঞান” শব্দটি একটি সমাসবদ্ধ পদ। “পদার্থ” ও “বিজ্ঞান” দুটি সংস্কৃত শব্দ নিয়ে এটি গঠিত। এর ইংরেজি পরিভাষা Physics শব্দটি গ্রিক φύσις (ফুঁসিস) অর্থাৎ “প্রকৃতি”, এবং φυσικῆ (ফুঁসিকে) অর্থাৎ “প্রকৃতি সম্পর্কিত জ্ঞান” থেকে এসেছে। পদার্থবিজ্ঞান বলতে বলা যেতে পারে এটা হলো গণিতের বাস্তব রূপ।

বিভিন্ন বস্তুর আপেক্ষিক তাপের বর্ণনা

(Mention the specific heat of different materials)

কোনো বস্তু বা পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় করতে সাধারণত ক্যালরিমিটার ব্যবহার করা হয়। মিশ্রণ প্রণালিতে ভানো বস্তুর আপেক্ষিক তাপ নির্ণয়ের জন্য রেনোর ক্যালরিমিটার ব্যবহার করা হয়। নিম্নে ক্যালরিমিটার ও রেনোর ালরিমিটারের বর্ণনা দেয়া হল ঃ

ক – ক্যালরিমিটার (Calorimeter) :

তাপমিতিতে যে ধাতব পাত্রের সাহায্যে তাপ পরিমাপ করা হয় তারে ক্যালরিমিটার বলা হয়।

বর্ণনা ঃ ক্যালরিমিটার সাধারণত তামার চোঙাকৃতি পাত্র বিশেষ। এর মধ্যে তামার তৈরি একটি নাড়ানি বা আলোড়ক (Stirer) থাকে। কাজের সুবিধার জন্য নাড়ানির নিচেই অনেক সময় তারের জাল ব্যবহার করা হয়। ক্যালরিমিটারে পদার্থ রেখে তার তাপমাত্রা সর্বত্র সমান রাখার জন্য নাড়ানি ব্যবহার করা হয়।

১। ক্যালরিমিটার, C :

এটি একটি সাধারণ ক্যালরিমিটার। একে একটি তাপ অপরিবাহী পদার্থ দিয়ে জড়িয়ে কাঠের বাক্সে রাখা হয় এবং উপরে ছিদ্রযুক্ত একটি ঢাকনা দিয়ে ঢেকে দেয়া হয়। এই ছিদ্র দিয়ে একটি থার্মোমিটার T এর নাড়ানি s প্রবেশ করানো থাকে।

২। যাম্প উত্তাপক, H;

এটি একই অক্ষবিশিষ্ট দু’টি তামার চোঙ A ও B দ্বারা গঠিত (চিত্র 2.2) B. CUT A অপেক্ষা বড়। বড় চোঙের গায়ে উপরে ও নিচে দুটি পার্শ্ব নল থাকে। উপরের নল দিয়ে বাষ্প চালনা করা হয় এবং নিচের নল দিয়ে বাষ্প নির্গত করা হয়। ছোট নলের উপরের মুখ দুই ছিদ্রবিশিষ্ট একটি কর্ম দ্বারা বন্ধ থাকে। এর একটি ভি দিয়ে একটি থার্মোমিটার এবং অপর ছিদ্র দিয়ে একটি কঠিন বস্তু সুতা দ্বারা বেঁধে প্রবেশ করানো হয়। বাম্প-উত্তাপককে একটি বয়লারের সাথে যুক্ত করলে বাষ্প-উত্তাপকের উপরের নল দিয়ে প্রবেশ করে দুই চোঙের মধ্যবর্তী স্থান পুরে নিচের নল দিয়ে বের হয়ে যায়। তখন বস্তু পরোক্ষভাবে উত্তপ্ত হয়।

সমস্ত উত্তাপকটি একটি কাঠের ফ্রেম (F) এর উপর বসানো থাকে। 

৩। গেট, G :

 বাষ্প-উত্তাপক ও কাঠের বাক্সের মধ্যে যেন তাপের কোনো আদান-প্রদান না হয় সে জন্য কাঠের গেট ব্যবহার করা হয়। প্রয়োজন অনুসারে এই গেটকে উপরে তুলে এর নিচে দিয়ে ক্যালরিমিটারকে কাঠের ফ্রেমের নিচেই আনা-নেওয়া করা হয়।

(খ) মিশ্রণ প্রণালিতে কঠিন পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় (Determination of specific heat of solid by the method of mixture) :

রেনোর ক্যালরিমিটারের সাহায্যে মিশ্রণ প্রণালিতে কঠিন পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় করা হয়। ভর নিই। এখন ক্যালরিমিটারের এক

নিম্নে কার্যপ্রণালি বর্ণনা করা হল ঃ 

কার্যপ্রণালি ঃ প্রথমে নাড়ানিসহ একটি পরিষ্কার-পরিচ্ছন্ন শুদ্ধ ক্যালরিমিটারের

তৃতীয়াংশ ঠান্ডা পানিতে ভর্তি করি এবং পুনরায় ভর নিই। এই দুই স্তরের পার্থক্য হতে ঠান্ডা পানির ভর নির্ণয় করি। এখন থার্মোমিটারের সাহায্যে ক্যালরিমিটারের ঠান্ডা পানির প্রাথমিক তাপমাত্রা নির্ণয় করি। এখন পরীক্ষণীয় কঠিন পদার্থের ভর নির্ণয় করে সুতার সাহায্যে বাষ্প-উত্তাপকের ভিতর ঝুলিয়ে দিয়ে বাষ্পে উত্তপ্ত করি।

কঠিন পদার্থটি তাপমাত্রা বৃদ্ধি পেয়ে সর্বাধিক তাপমাত্রায় পৌঁছালে থার্মোমিটারের সাহায্যে তাপমাত্রা নির্ণয় করি। এবার উত্তপ্ত কঠিন বস্তুটি বাষ্প-উত্তাপক থেকে সুতা ছিঁড়ে দ্রুত ক্যালরিমিটারের মধ্যে ফেলা হয় এবং নাড়ানি দিয়ে দ্রুত নাড়া হয় যেন তাপ সুষমভাবে বণ্টিত হয়। এই অবস্থায় বস্তুটি তাপ বর্জন করবে এবং ক্যালরিমিটার ও পানি তাপ গ্রহণ করবে। নাড়ানির সাহায্যে মিশ্রণটিকে নাড়িয়ে এর সর্বশেষ স্থির তাপমাত্রা নির্ণয় করি।

হিসাব ঃ

ধরি, কঠিন পদার্থের আপেক্ষিক তাপ = S Jkg K

নাড়ানিসহ ক্যালরিমিটারের ভর = W1 kg ক্যালরিমিটারের উপাদানের আপেক্ষিক তাপ = S, Jkg K

থার্মোমিটার

ঠান্ডা পানির ভর = m kg ক্যালরিমিটার ও ঠান্ডা পানির প্রাথমিক তাপমাত্রা

কঠিন বস্তুর ভর = M kg

কঠিন বস্তুর সর্বোচ্চ তাপমাত্রা = ½°K

এবং মিশ্রণে চূড়ান্ত তাপমাত্রা = 1 °K আমরা জানি,

ক্যালরিমিটার

কুপরিবাহী পদার্থ, চিত্র : ২.৩ নাড়ানিসহ ক্যালরিমিটার

মোট গৃহীত বা বর্জিত তাপ = ভর x আপেক্ষিক তাপ x তাপমাত্রার পার্থক্য . কঠিন বস্তু কর্তৃক বর্জিত তাপ = MS (G – 1) J

সাবধানতা :

১। পরিবহন, পরিচলন ইত্যাদি প্রক্রিয়ায় যাতে কোনো তাপ অপচয় না হয় সেই জন্য ক্যালরিমিটারকে পরিষ্কার করে তাপ নিরোধী কাঠের মধ্যে রাখা হয়।

২। কঠিন উত্তপ্ত বস্তুটি যেন বাতাসে তাপ ত্যাগ করতে না পারে সে জন্য ক্যালরিমিটারকে বাষ্প-উত্তাপকের নিচে এনে খুব তাড়াতাড়ি কঠিন বস্তুকে ক্যালরিমিটারের ভেতর ফেলা হয়।

৩। বিভিন্ন তাপমাত্রা সুবেদী থার্মোমিটারে নির্ভুলভাবে নির্ণয় করতে হয়।

৪। পানি বা এমন একটি তরল পদার্থ ব্যবহার করতে হবে যেন কঠিন পদার্থটি অদ্রবণীয় হয় এবং এদের মধ্যে কোনো রাসায়নিক ক্রিয়া না হয়।

(গ) তরল পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় (Determination of specific heat of liquid) ঃ

তরল পদার্থেরআপেক্ষিক তাপ নির্ণয় করার জন্য সাধারণত দুই পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। যথা ঃ 

(i) মিশ্রণ প্রণালি (Method of mixture)

(ii) শীতলীকরণ প্রণালি (Method of cooling)। 

(i) মিশ্রণ প্রণালি (Method of mixture):

কার্যপ্রণালি ঃ প্রথমে নাড়ানিসহ একটি পরিষ্কার-পরিচ্ছন্ন শুষ্ক ক্যালরিমিটার নিই এবং ভর নির্ণয় করি। এরপর ক্যালরিমিটারের দুই-তৃতীয়াংশ পরীক্ষণীয় তরল পদার্থে পূর্ণ করি এবং পুনরায় ভর নির্ণয় করি। এই দুই ভরের পার্থক্য হতে পরীক্ষণীয় তরলের ভর নির্ণয় করি। একটি সুবেদী থার্মোমিটারের সাহায্যে ক্যালরিমিটার এবং তরলের প্রাথমিক তাপমাত্রা নির্ণয় করি ।

এখন এমন একটি কঠিন পদার্থ নিই যা ঐ পরীক্ষণীয় তরলে অদ্রবণীয় এবং বস্তুটির ভর নির্ণয় করি। সুতার সাহায্যে বাষ্প উত্তাপকের মধ্যে ঝুলিয়ে বাষ্পের সাহায্যে তাকে উত্তপ্ত করি। বস্তুটির তাপমাত্রা সর্বোচ্চ হলে একটি সুবেদী থার্মোমিটারের সাহায্যে তাপমাত্রা নির্ণয় করি। অতঃপর বস্তুটি দ্রুত তরল পদার্থে নিমজ্জিত করে নাড়ানির সাহায্যে নাড়াতে থাকি এবং স্থির তাপমাত্রায় উপনীত হলে পাঠ গ্রহণ করি।

হিসাব ঃ

ধরি, কঠিন বস্তুর ভর = m, kg

কঠিন পদার্থের আপেক্ষিক তাপ = S, Jkg©K

-1 3

নাড়ানিসহ ক্যালরিমিটারের ভর = m kg ক্যালরিমিটারের উপাদানের আপেক্ষিক তাপ = S, Jkg©K

তরল পদার্থের ভর = m kg

তরল পদার্থের আপেক্ষিক তাপ = S Jkg K

ক্যালরিমিটার ও তরল পদার্থের প্রাথমিক তাপমাত্রা = t, °K উত্তপ্ত কঠিন পদার্থের তাপমাত্রা = ½°K

এবং মিশ্রণের শেষ তাপমাত্রা = t°K

আমরা জানি, কোন বস্তুর তাপ গ্রহণ বা বর্জন = বস্তুর ভর x আঃ তাপ x তাপমাত্রার পার্থক্য

কঠিন বস্তুটি কর্তৃক বর্জিত তাপ = m, S,(h−t) J

ক্যালরিমিটার কর্তৃক গৃহীত তাপ = m S2 (t – 1) J তরল পদার্থ কর্তৃক গৃহীত তাপ = mS (t – tq) J

আবার,

ক্যালরিমিতির মূলনীতি অনুসারে, তাপ গ্রহণ = তাপ বর্জন

সাবধানতা :

১। পরিবহন, পরিচলন ইত্যাদি প্রক্রিয়ায় তাপের যেন অপচয় না হয় সেজন্য ক্যালরিমিটারকে ভালভাবে পরিষ্কার করে তাপক্ষয় নিরোধী কাঠের বাক্সে রাখা হয়। 

২। কঠিন উত্তপ্ত বস্তুটি যেন বাতাসে তাপ ত্যাগ করতে না পারে সে জন্য ক্যালরিমিটারকে বাষ্প উত্তাপকের নিচে এনে খুব তাড়াতাড়ি কঠিন বস্তুকে ক্যালরিমিটারের ভেতর ফেলা হয়। 

৩। বিভিন্ন তাপমাত্রা সুবেদী থার্মোমিটারে নির্ভুলভাবে নির্ণয় করতে হয়।

৪। পানি বা এমন একটি তরল পদার্থ ব্যবহার করতে হবে যেন কঠিন পদার্থটি অদ্রবণীয় হয় এবং এদের মধ্যে কোনো রাসায়নিক ক্রিয়া না হয়।

(ii) শীতলীকরণ প্রণালি (Method of cooling) ঃ

তরল পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নিউটনের শীতলীকরণ সূত্রের সাহায্যে নির্ণয় করা যায়। 

নিউটনের শীতলীকরণ সূত্র ঃ

কোনো বস্তুর তাপ বর্জনের হার, বস্তু এবং তার পারিপার্শ্বিকের তাপমাত্রার পার্থক্যের সমানুপাতিক ।

যদি কোনো তরলকে তার পারিপার্শ্বিকের সাপেক্ষে উচ্চ তাপমাত্রায় গরম করে ঐ পারিপার্শ্বিকে রাখা হয় তবে সেই তরল যে হারে তাপ বর্জন করে তা নিচের বিষয়গুলোর উপর নির্ভর করে ঃ

১। তরল পদার্থের তাপমাত্রা

২। পারিপার্শ্বিকের তাপমাত্রা 

৩। আধারের প্রকৃতি এবং আকৃতি

৪। তরলের উন্মুক্ত তলের ক্ষেত্রফল 

৫। পাত্রের দেওয়ালের ক্ষেত্রফল ।

কাজেই দেখা যায়, একই পরিবেশে বিভিন্ন তরল পদার্থকে যদি একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রা হতে অপর একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রা পর্যন্ত শীতল হতে দেওয়া হয় তাহলে প্রত্যেক ক্ষেত্রেই তাপ বর্জনের হার সমান হবে।

কার্যপ্রণালি ঃ শীতলীকরণ পদ্ধতিতে কোনো তরলের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয়ের জন্য প্রথমে নাড়ানিসহ একটি ক্যালরিমিটার পরিষ্কার ও শুষ্ক করে ভর নেওয়া হয়। অতঃপর ক্যালরিমিটারের নির্দিষ্ট আয়তন পর্যন্ত ঘরের তাপমাত্রা হতে প্রায় 25°C অথবা 30°C উচ্চ তাপমাত্রার পানিতে ভর্তি করে একে তাপক্ষয় নিরোধক প্রকোষ্ঠের মধ্যে রাখা হয়। এরপর নাড়ানি দ্বারা পানি আস্তে আস্তে নাড়তে থাকি এবং এক মিনিট অন্তর অন্তর তাপমাত্রা গ্রহণ করি। পানির তাপমাত্রা ঘরের তাপমাত্রা অপেক্ষা বেশি বিধায় পানি তাপ হারাবে এবং পানি যখন ঘরের তাপমাত্রায় পৌঁছাবে তখন পানিসহ ক্যালরিমিটারের ভর নিই। এই দুই ওজনের পার্থক্য থেকে ক্যালরিমিটারের পানির ভর পাওয়া যায় ।

এখন ক্যালরিমিটার হতে পানি অপসারণ করে ঘরের তাপমাত্রা অপেক্ষা 25°C বা 30°C উচ্চ তাপমাত্রাসম্পন্ন পরীক্ষাধীন তরল পদার্থ একই নির্দিষ্ট আয়তনে নিমজ্জিত করি এবং ক্যালরিমিটার তাপ ক্ষয় নিরোধক প্রকোষ্ঠের মধ্যে রেখে নাড়ানি দ্বারা ধীরে ধীরে নাড়তে থাকি এবং এক মিনিট অন্তর অন্তর তাপমাত্রা গ্রহণ করি। পরিশেষে তরল পদার্থের তাপমাত্রা ঘরের তাপমাত্রায় উপনীত হলে এদের ভর নিই। এই ভর হতে ক্যালরিমিটারের ভর বাদ দিলে তরল পদার্থের ভর পাওয়া যাবে।

লেখচিত্র ঃ এখন একটি ছক কাগজে তরল পদার্থ ও পানির সময় ও তাপমাত্রার মান বসিয়ে লেখচিত্র অঙ্কন করা হয়। ছক কাগজের X অক্ষ বরাবর সময় এবং Y অক্ষ বরাবর তাপমাত্রা বসিয়ে লেখচিত্র অঙ্কন করা হয়।

অঙ্কিত লেখচিত্র দু’টি হতে তরল পদার্থ এবং পানির কোনো একটি তাপমাত্রা 6,°C হতে অপর একটি তাপমাত্রা B°C পর্যন্ত শীতল হতে কত সময় প্রয়োজন তা নির্ণয় করি। চিত্রে ও°C ও B°C তাপমাত্রার সময়-অক্ষের সমান্ত রালে দুটি সরলরেখা AB ও CD টেনে দেখা যায় যে, °C হতে 0°C পর্যন্ত শীতল হতে পানির । মিনিট এবং তরল পদার্থের মিনিট সময় প্রয়োজন।

হিসাব : ধরি,

নাড়ানিসহ ক্যালরিমিটারের পানি-সম = W kg

ব্যবহৃত পানির ভর = m, kg

ব্যবহৃত তরলের ভর = m kg

তরলের আপেক্ষিক তাপ =S1kg K

এবং তাপমাত্রা সর্বোচ্চ ৪,°C হতে ৪, °C-এ নামতে পানি ও ক্যালরিমিটার কর্তৃক প্রয়োজনীয় সময় =

এবং তরল ও ক্যালরিমিটার কর্তৃক প্রয়োজনীয় সময়= তাহলে, , 

1 সেকেন্ডে পানি ও ক্যালরিমিটার কর্তৃক বর্জিত তাপ