পদার্থবিজ্ঞান দ্বিতীয় পত্র · একাদশ-দ্বাদশ · অধ্যায় ১ · ১.৩

তাপীয় সিস্টেম ও সমোষ্ণ পরিবর্তন।

সাইকেলের পাম্পে জোরে চাপ দিলে নলটা গরম হয়ে ওঠে, অথচ ধীরে ধীরে চাপলে প্রায় টেরই পাও না। একই গ্যাস, একই সংকোচন, তবু তাপমাত্রার কাণ্ড আলাদা। এই নোটে দেখবে গ্যাসের তাপমাত্রা কখন স্থির থাকে, আর তখন চাপ ও আয়তনের মধ্যে কোন হিসাবটা চলে।

১. তাপীয় সিস্টেম আর তার তিন রূপ

পরীক্ষা করার সময় জড় জগতের যে নির্দিষ্ট তাপীয় অংশটুকুকে আমরা বিবেচনা করি, তাকে তাপীয় সিস্টেম বলে। পিস্টনযুক্ত সিলিন্ডারের ভেতরের গ্যাস একটা তাপীয় সিস্টেম, আর তার আশেপাশের সবকিছু পরিবেশ। প্রতিটা সিস্টেমে নির্দিষ্ট আয়তন, ভর ও অন্তস্থ শক্তি থাকে।

সিস্টেম আর পরিবেশের মধ্যে কী আদান-প্রদান হয়, তা দেখে সিস্টেম তিন রকম। উন্মুক্ত সিস্টেম ভর ও শক্তি দুটোই বিনিময় করে। বদ্ধ সিস্টেম শুধু শক্তি বিনিময় করে, ভর করে না। বিচ্ছিন্ন সিস্টেম পরিবেশ দ্বারা মোটেও প্রভাবিত হয় না: ভর বা শক্তি কিছুই বিনিময় করে না। উন্মুক্ত আর বদ্ধ দুটোতেই শক্তি আসে-যায়, তাই গুলিয়ে ফেলো না; ফারাকটা ভরে। নিচের গাছে দুটো প্রশ্নের উত্তর দিয়ে দেখো।

২. চার রকম পরিবর্তন, আর সমোষ্ণ

তাপীয় সিস্টেমে তাপগতীয় পরিবর্তন চার রকম: সমোষ্ণ, রুদ্ধতাপীয়, সমআয়তন (isochoric) আর সমচাপ (isobaric)। বইয়ে ছাপার ভুলে সমআয়তনের জায়গায় isochronic লেখা আছে; ঠিক শব্দ isochoric। এই নোটের মূল কথা সমোষ্ণ, রুদ্ধতাপীয় আসবে পরের নোটে।

যে পরিবর্তনে গ্যাসের চাপ ও আয়তন বদলায় কিন্তু তাপমাত্রা স্থির থাকে, তার নাম সমোষ্ণ পরিবর্তন। যে পদ্ধতিতে তা ঘটে, সেটা সমোষ্ণ প্রক্রিয়া।

তাপমাত্রা স্থির থাকে কীভাবে? গ্যাসকে হঠাৎ সংকুচিত করলে তাপ উৎপন্ন হয়ে তাপমাত্রা বাড়ে, হঠাৎ প্রসারিত করলে তাপ হারিয়ে তাপমাত্রা কমে। কিন্তু কাজটা ধীরে ধীরে করলে, আর দরকার মতো তাপ দিলে বা সরিয়ে নিলে, তাপমাত্রা স্থির থাকে। পাম্পের গল্পটা এখানেই মেলে।

এই অবস্থায় চাপ ও আয়তন বয়েলের সূত্র মেনে চলে: P ∝ 1/V, অর্থাৎ PV = ধ্রুবক। P বনাম V লেখ একটা আয়তাকার পরাবৃত্ত। আলাদা তাপমাত্রায় আলাদা লেখ, এদের বলে সমোষ্ণ লেখ। হাতল টেনে দেখো, দুটো রাশিই বদলায় অথচ গুণফল নড়ে না।

৩. সমোষ্ণ পরিবর্তনের শর্ত

সমোষ্ণ পরিবর্তনের শর্ত চারটা: গ্যাস থাকবে সুপরিবাহী পাত্রে; পাত্রের চারপাশের মাধ্যমের তাপধারণ ক্ষমতা হবে বেশি; চাপের পরিবর্তন হবে ধীরে ধীরে; আর প্রয়োজনীয় তাপ নেওয়া ও ছাড়ার ফলে তাপমাত্রা স্থির থাকবে। রুদ্ধতাপীয় পরিবর্তনের শর্তগুলো ঠিক উল্টো। নিচে ছয়টা শর্ত দুই পরিবর্তনের মধ্যে ভাগ করো।

সমোষ্ণ পরিবর্তন একটা ধীর প্রক্রিয়া, আর তার লেখ রুদ্ধতাপীয় লেখের চেয়ে কম খাড়া।

গ্যাস প্রসারিত হলে সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় কৃত কাজ সমচাপ প্রক্রিয়ার চেয়ে বেশি। কারণ সমোষ্ণে অন্তস্থ শক্তির পরিবর্তন du = ০, তাই সরবরাহ করা তাপ সবটুকুই কাজ হয়ে যায়: dQ = dW। সমচাপে তাপের একটা অংশ অন্তস্থ শক্তি বাড়াতে চলে যায়, কাজের ভাগ কমে।

৪. দুটি হিসাব

উদাহরণ ১। ৩০০ K ও ৪ বায়ুমণ্ডলীয় চাপে ১০ L গ্যাসের চাপ সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় দ্বিগুণ হলো। তাপমাত্রা স্থির, তাই বয়েলের সূত্রে P1V1 = P2V2 এবং V2 = P1V1/P2 = ৪ × ১০/৮ = ৫ L। চাপ দ্বিগুণ হলে আয়তন অর্ধেক।

উদাহরণ ২। ৩ mol দ্বিপরমাণবিক গ্যাস T1 = ৩০°C তাপমাত্রায় সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় আয়তন V থেকে ২V এ প্রসারিত হলো। সমোষ্ণ প্রসারণে কাজ W = nRT1 ln(V2/V1)। T1 = ৩০ + ২৭৩ = ৩০৩ K, তাই W = ৩ × ৮.৩১ × ৩০৩ × ln ২ = ৫২৩৬ J। সূত্রে আয়তনের অনুপাত বসে, বিয়োগফল না।

চার পরিবর্তনের মধ্যে সমআয়তনটা পরীক্ষায় একটা চেনা ঘটনা দিয়ে আসে।

৫. মিলিয়ে দেখো

তিনটা প্রশ্ন, পরীক্ষার ধাঁচে। প্রথমটা দিয়ে শুরু।

দ্বিতীয়টা।

শেষটা।

পুরো নোটটা আটটা কার্ডে।

সূত্র: পদার্থবিজ্ঞান দ্বিতীয় পত্র, একাদশ-দ্বাদশ শ্রেণি (এনসিটিবি), অধ্যায় ১ “তাপগতিবিদ্যা”, অনুচ্ছেদ ১.৩।