তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র এর বর্ণনা

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র এর বর্ণনা – নিয়ে আজকের পাঠ। এই পাঠটি এনসিটিবির এসএসসি স্তরের “পদার্থবিজ্ঞান” বিষয়ের “তাপের প্রকৃতি ও এর যান্ত্রিক সমতা” বিভাগের 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।

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র এর বর্ণনা ও ব্যাখ্যা

পদার্থবিজ্ঞানের যে শাখায় তাপ ও যান্ত্রিক শক্তির পারস্পরিক রূপান্তর সম্বন্ধে আলোচনা করে তাকে তাপগতিবিদ্যা (Thermodynamics) বলে । কোনো একটি প্রক্রিয়া একাধিক প্রকার বস্তু নিয়ে গঠিত। আবার প্রত্যেক প্রকার বস্তুরই গতিশক্তি এবং একটি ি স্থিতিশক্তি থাকে। কোনো সংস্থার অনুগুলোর মোট গতিশক্তি ও স্থিতিশক্তির (আন্তঃআণবিক আকর্ষণের জন্য) যোগকলারে সেই সংস্থার অন্তঃস্থ শক্তি বা অভ্যন্তরীণ শক্তি (Internal energy) বলা হয়।

দুভাবে পরিবর্তন হয় : (১) তাপ প্রয়োগ বা অপসারণ করে অন্তঃস্থ শক্তি পরিবর্তন হয় (২) (মাসের) উপর কাজ বা বড় রা কাজ সম্পাদিত হলে তাপ শক্তির পরিবর্তন হয়। অন্তঃস্থ শক্তির পরিবর্ত उমাত্র প্রাথমিক ও ব্যবস্থার উপর নির্ভর করে। গ্যাসের উপর কাজ সম্পাদিত হলে, একে সংকুচিত করতে হ তাতে অন্ত্যহ শক্ত বা পাবে ও তাপমাত্রা বেড়ে যাবে। গ্যাস বা কাজ সম্পাদিত হতে হলে গ্যাসকে প্রসারিত হতে হ তাতে তাপমাত্রা হ্রাস পায়। যেমন- স্টীমকে প্রসারিত হতে দিয়ে স্টীমের অন্তঃস্থ শক্তিকে টারবাইন ঘুরানোর কার ব্যবহার করা হয়।

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র :

রামফোর্ড এবং জুল পরীক্ষা থেকে প্রাপ্ত ফলাফল হতে তাপ ও কাজের সম্পর্ক হয়ে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র প্রতিষ্ঠিত হয়। এই সূত্র মতে, “যখন কোনো কাজ সম্পূর্ণরূপে তাপে পরিণত হয় তখন কাজ ও তাপ পরস্পরের 

যদি W পরিমাণ কাজ সম্পাদন করলে Q পরিমাণ তাপ উৎপন্ন হয় তবে, Wi-

W=JQ

এখানে, J = তাপের যান্ত্রিক ক্ষমতা।

তাপ ও যান্ত্রিক শক্তির এ সম্পর্ক তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র নামে পরিচিত। এই সূত্র মতে, তাপ যান্ত্রিক শক্তির মায়ে এক ধরনের শক্তি এবং তাপ শক্তি যে কোনো প্রকার শক্তিতে রূপান্তরিত হতে পারে।

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রের সাধারণ রূপ :

ক্লাসিয়াস নিম্নরূপে ১ম সূত্রকে সংজ্ঞায়িত করেছেন,

“কোনো ব্যবস্থা কর্তৃক গৃহীত তাপের কিছু অংশ এর অন্তঃস্থ শক্তি বৃদ্ধি করে এবং বাকি অংশ বহিস্থ কাজে ব্যয় হবে।” কোনো সংস্থাকে ( পরিমাণ তাপ দিলে যদি ঐ সংস্থার অন্তঃস্থ শক্তি U, থেকে বেড়ে U, হয় এবং W পরিমাণ বহি Q

কাজ হয় তবে Q = U – U + W 0 এখানে প্রতিটি রাশি একই এককে শক্তির এককে প্রকাশ করা হয়। Q কে ক্যালরিতে পাওয়া গেলে তাকে দ্বারা

করে তাকে ভুলে প্রকাশ করা হয়। ক্ষুদ্র পরিবর্তনের ক্ষেত্রে (1) সমীকরণকে লিখা যায়-

dQ = dU+dW

সমানুপাতিক হয়

. (i) উপরোক্ত সমীকরণটিকে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রের সমীকরণ বলা হয়।

স্থির বহিস্থ চাপ P এর বিরুদ্ধে dV আয়তনের প্রসারণের জন্য যে বহিস্থ কাজ করে তার পরিমাণ, dW= PdV [AW= F. Ax = PA Ax = P. dV]

(ii) নং সমীকরণটি

dQ = dU + PdV….(iii) 

তাপ শোষিত হলে dQ ধনাত্মক এবং বর্জিত হলে dO ঋণাত্মক হবে।

আবার ব্যবস্থা (বস্তু) দ্বারা কাজ সম্পাদিত হলে dw ধনাত্মক এবং ব্যবস্থার উপর কাজ সম্পাদিত হলে dW ঋণাত্মক হবে। আদর্শ গ্যাসের ক্ষেত্রে, PV = ধ্রুবক [এখানে উষ্ণতা স্থির] অর্থাৎ বয়েলের সূত্র মেনে চলে । কিন্তু গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তি তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, তাই স্থির তাপমাত্রার আদর্শ গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তির কোনো পরিবর্তন হয় না। এক্ষেত্রে U = U2 বসিয়ে সেই মান (i) নং সমীকরণে বসিয়ে পাই, অর্থাৎ স্থির Q=w তাপমাত্রায় বা সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায়(Isothermal Process) গ্যাসে যে তাপ শক্তি সরবরাহ করা বা যে তাপ শক্তি সরিয়ে নেওয়া হয় তা গ্যাস দ্বারা বা গ্যাসের উপর সম্পাদিত কাজের সমান।

আবার কোনো আদর্শ গ্যাসের আয়তন স্থির রেখে ঐ গ্যাসে dQ পরিমাণ তাপ শক্তি দিলে সেই গ্যাস কোনো বাহ্যিক কাজ করে না। কেননা আয়তনের কোনো পরিবর্তন না হওয়ায় W = 0 হয়। এই মান (i) নং সমীকরণে বসিয়ে পাই, Q=U₂-U₁ অর্থাৎ সরবরাহকৃত সমস্ত শক্তিই গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তি বৃদ্ধির কাজে ব্যয় হয়। আর অন্তঃস্থ শক্তি বৃদ্ধি অর্থ গ্যাসের তাপমাত্রা বৃদ্ধি ।

রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়া (Adiabatic Process) :

গ্যাসের প্রসারণের ক্ষেত্রে যে প্রক্রিয়ায় কোনো সংস্থা বা বস্তুতে তাপ প্রবেশ করতে বা বস্তু হতে বাহির হতে দেওয়া হয় না একে রুদ্ধতাপ (Adiabatic) প্রক্রিয়া বলে । সেক্ষেত্রে Q = 0 মান (i) নং-এ বসিয়ে U2 – U1 = – W রুদ্ধতাপ প্রসারণের ক্ষেত্রে গ্যাস নিজেই কাজ করে সেক্ষেত্রে কৃত কাজ W ধনাত্মক এবং U2 < U, হয়। সুতরাং রুদ্ধ তাপ প্রসারণের ফলে গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তি হ্রাস পায়। ফলে গ্যাসের তাপমাত্রা হ্রাস পায়। রুদ্ধতাপ সংকোচনের ক্ষেত্রে গ্যাসের উপর কাজ করা হয় অর্থাৎ সেক্ষেত্রে কৃতকাজ ঋণাত্মক এবং U2 > U হয়। রুদ্ধতাপ সংকোচনের ক্ষেত্রে গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তি ও তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় । 

গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ :

একক ভরের কোনো বস্তুকে dQ পরিমাণ তাপ প্রয়োগ করলে এর তাপমাত্রা dT পরিমাণ বৃদ্ধি পায় তবে বস্তুর আপেক্ষিক তাপ, C = dQ dT গ্যাসের ক্ষেত্রে আপেক্ষিক তাপ দু’প্রকার, যথা :

১। স্থির আয়তনে গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ :

স্থির আয়তনে একক ভরের কোনো গ্যাসের তাপমাত্রা 1 ডিগ্রি বাড়াতে বস্তুতে যে তাপের প্রয়োজন তাকে স্থির আয়তনে গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ C, বলে । 

২। স্থির চাপে গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ :

 চাপ স্থির রেখে একক ভরের কোনো গ্যাসের তাপমাত্রা 1 ডিগ্রি বাড়াতে যে পরিমাণ তাপের প্রয়োজন তাকে স্থির চাপে গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ C, বলে । C > C, ঃ আয়তন স্থির রেখে কোনো গ্যাসে তাপ প্রয়োগ করলে তা ঐ গ্যাসের গতিশক্তি বৃদ্ধি করবে, ফলে গ্যাসের তাপমাত্রা ও চাপ বৃদ্ধি পাবে। কিন্তু আয়তন স্থির হওয়ায় গ্যাস কোনো বহিঃস্থ কাজ করতে পারে না।

অন্যদিকে, চাপ স্থির রেখে তাপ দিলে তা ঐ গ্যাসের তাপমাত্রা বৃদ্ধি করবে এবং বহিস্থ কাজ সম্পন্ন করাবে। তাই এখন বহিস্থ কাজের জন্যে কিছু তাপ ব্যয় হবে। ফলে পূর্বের মতো তাপমাত্রা বৃদ্ধির জন্য এক্ষেত্রে আরো বেশি তাপ দিতে হবে। অর্থাৎ Cp > C, + q এখানে আয়তন বৃদ্ধির জন্য গ্যাসকে যে পরিমাণ কাজ করতে হয় তার সমতুল্য তাপ ।

..Cp>Cr ধরি, একটি পিস্টনযুক্ত সিলিন্ডারে P চাপে T তাপমাত্রায় V আয়তন বিশিষ্ট 1 mole আদর্শ গ্যাস আছে। গ্যাসের তাপ দেওয়ার পিস্টন উপরে উঠতে চাইলে ওজন চাপিয়ে সেটাকে আগের অবস্থায় রাখা হল, অর্থাৎ 1 mole গ্যাসের তাপমাত্রা 1°k বৃদ্ধি করতে স্থির আয়তনের বেলায় যে তাপ লাগবে, স্থির চাপের বেলায় তার চেয়ে বেশি তাপ লাগবে ।