অধ্যায় ১১ তাপগতিবিজ্ঞান

১১.১ পৰিচয় [২২৬-২২৭]#

পূৰ্বৰ অধ্যায়ত আমি পদাৰ্থৰ তাপীয় ধৰ্মসমূহ অধ্যয়ন কৰিছিলো। এই অধ্যায়ত আমি তাপীয় শক্তি নিয়ন্ত্ৰণ কৰা নিয়মসমূহ অধ্যয়ন কৰিম। আমি এনে প্ৰক্ৰিয়াসমূহ অধ্যয়ন কৰিম য’ত কাৰ্যক তাপলৈ ৰূপান্তৰিত কৰা হয় আৰু ইয়াৰ বিপৰীতটোও হয়। শীতকালত, যেতিয়া আমি আমাৰ হাতৰ তলুৱা দুখন ঘঁহো, আমি গৰম অনুভৱ কৰো; ইয়াত ঘঁহনিৰ দ্বাৰা কৰা কাৰ্যই ‘তাপ’ উৎপন্ন কৰে। বিপৰীতভাৱে, এটা বাষ্প ইঞ্জিনত, বাষ্পৰ ‘তাপ’ক পিষ্টনবোৰ চলাই ৰেলৰ চকাবোৰ ঘূৰাবলৈ উপযোগী কাৰ্য কৰিবলৈ ব্যৱহাৰ কৰা হয়।

পদাৰ্থ বিজ্ঞানত, আমি তাপ, উষ্ণতা, কাৰ্য আদি ধাৰণাবোৰ অধিক সাৱধানেৰে সংজ্ঞায়িত কৰাৰ প্ৰয়োজন। ঐতিহাসিকভাৱে, ‘তাপ’ৰ সঠিক ধাৰণালৈ উপনীত হ’বলৈ বহু সময় লাগিছিল। আধুনিক চিত্ৰৰ আগতে, তাপক পদাৰ্থৰ ছিদ্ৰবোৰত ভৰি থকা এটা সূক্ষ্ম অদৃশ্য তৰল বুলি গণ্য কৰা হৈছিল। গৰম আৰু ঠাণ্ডা শৰীৰৰ মাজৰ সংস্পৰ্শত, তৰলটোৱে (কেলৰিক বুলি কোৱা হয়) ঠাণ্ডা শৰীৰৰ পৰা গৰম শৰীৰলৈ বৈ গৈছিল! ই এনে এটা ঘটনাৰ সৈতে সাদৃশ্যপূৰ্ণ যেতিয়া এটা অনুভূমিক নলীয়ে বিভিন্ন উচ্চতালৈ পানী থকা দুটা টেংক সংযোগ কৰে। পানীৰ স্তৰ দুটা টেংকত একে নোহোৱালৈকে প্ৰবাহ অব্যাহত থাকে। একেদৰে, তাপৰ ‘কেলৰিক’ চিত্ৰত, ‘কেলৰিক স্তৰ’ (অৰ্থাৎ, উষ্ণতা) সমান নোহোৱালৈকে তাপৰ প্ৰবাহ হয়।

সময়ৰ লগে লগে, তাপক তৰল হিচাপে থকা চিত্ৰটো ত্যাগ কৰি তাপক শক্তিৰ এক ৰূপ হিচাপে থকা আধুনিক ধাৰণাৰ পক্ষত অৱলম্বন কৰা হ’ল। এই সম্পৰ্কত এটা গুৰুত্বপূৰ্ণ পৰীক্ষা আছিল ১৭৯৮ চনত বেঞ্জামিন থমছনৰ (কাউণ্ট ৰামফৰ্ড হিচাপেও জনাজাত)। তেওঁ লক্ষ্য কৰিছিল যে পিতলৰ কেঁনন এটাৰ বৰিং কৰিলে বহুত তাপ উৎপন্ন হয়, আচলতে পানী উতলাবলৈ যথেষ্ট। অধিক গুৰুত্বপূৰ্ণ হ’ল, উৎপন্ন হোৱা তাপৰ পৰিমাণ কাৰ্যৰ ওপৰত নিৰ্ভৰ কৰিছিল (ড্ৰিল ঘূৰাবলৈ নিযুক্ত কৰা ঘোঁৰাবোৰৰ দ্বাৰা কৰা) কিন্তু ড্ৰিলৰ ধাৰৰ ওপৰত নহয়। কেলৰিক চিত্ৰত, অধিক ধাৰযুক্ত ড্ৰিলে ছিদ্ৰবোৰৰ পৰা অধিক তাপ তৰল উলিয়াই আনিলেহেঁতেন; কিন্তু এইটো দেখা নগ’ল। পৰ্যবেক্ষণবোৰৰ আটাইতকৈ স্বাভাৱিক ব্যাখ্যা আছিল যে তাপ শক্তিৰ এক ৰূপ আছিল আৰু পৰীক্ষাটোৱে শক্তিৰ এক ৰূপৰ পৰা আন এটা ৰূপলৈ ৰূপান্তৰ প্ৰদৰ্শন কৰিছিল—কাৰ্যৰ পৰা তাপলৈ।

তাপগতিবিজ্ঞান হৈছে পদাৰ্থ বিজ্ঞানৰ সেই শাখা যিয়ে তাপ আৰু উষ্ণতাৰ ধাৰণা আৰু তাপ আৰু শক্তিৰ অন্যান্য ৰূপৰ পাৰস্পৰিক ৰূপান্তৰৰ সৈতে ব্যৱহাৰ কৰে। তাপগতিবিজ্ঞান হৈছে এক স্থূল বিজ্ঞান। ই স্থূল ব্যৱস্থাসমূহৰ সৈতে ব্যৱহাৰ কৰে আৰু পদাৰ্থৰ আণৱিক গঠনত সোমাই নাযায়। আচলতে, ইয়াৰ ধাৰণা আৰু নিয়মবোৰ ঊনবিংশ শতিকাত গঠন কৰা হৈছিল যেতিয়া পদাৰ্থৰ আণৱিক চিত্ৰ দৃঢ়ভাৱে স্থাপন কৰা হোৱা নাছিল। তাপগতিবিদ্যাৰ বৰ্ণনাই ব্যৱস্থাৰ তুলনামূলকভাৱে কেইটামান স্থূল চলকৰ সৈতে জড়িত, যিবোৰ সাধাৰণ জ্ঞানৰ দ্বাৰা পৰামৰ্শ দিয়া হয় আৰু সাধাৰণতে পোনপটীয়াকৈ জোখিব পাৰি। উদাহৰণস্বৰূপে, গেছ এটাৰ সূক্ষ্ম বৰ্ণনাই গেছটো গঠন কৰা বিপুল সংখ্যক অণুৰ স্থানাংক আৰু বেগ নিৰ্দিষ্ট কৰাটো জড়িত কৰিব। গেছৰ গতিবাদ তত্ত্বত বৰ্ণনা ইমান বিশদ নহয় কিন্তু ইয়াত বেগৰ আণৱিক বিতৰণ জড়িত থাকে। আনহাতে, গেছ এটাৰ তাপগতিবিদ্যাৰ বৰ্ণনাই সম্পূৰ্ণৰূপে আণৱিক বৰ্ণনা এৰাই যায়। ইয়াৰ সলনি, তাপগতিবিজ্ঞানত গেছ এটাৰ অৱস্থা স্থূল চলক যেনে চাপ, আয়তন, উষ্ণতা, ভৰ আৰু গঠনৰ দ্বাৰা নিৰ্দিষ্ট কৰা হয় যিবোৰ আমাৰ ইন্দ্ৰিয়ৰ অনুভূতিৰ দ্বাৰা অনুভৱ কৰা হয় আৰু জোখিব পাৰি*।

যান্ত্ৰিক বিজ্ঞান আৰু তাপগতিবিজ্ঞানৰ মাজৰ পাৰ্থক্যটো মনত ৰাখিবলগীয়া। যান্ত্ৰিক বিজ্ঞানত, আমাৰ আগ্ৰহ হৈছে বল আৰু টৰ্কৰ ক্ৰিয়াৰ অধীনত কণা বা শৰীৰৰ গতি। তাপগতিবিজ্ঞান সম্পূৰ্ণৰূপে ব্যৱস্থাৰ গতিৰ সৈতে জড়িত নহয়। ই শৰীৰৰ আভ্যন্তৰীণ স্থূল অৱস্থাৰ সৈতে জড়িত। যেতিয়া বন্দুকৰ পৰা গুলী এটা নিক্ষেপ কৰা হয়, যি সলনি হয় সেয়া হৈছে গুলীটোৰ যান্ত্ৰিক অৱস্থা (বিশেষকৈ ইয়াৰ গতিশক্তি), ইয়াৰ উষ্ণতা নহয়। যেতিয়া গুলীটোৱে কাঠ এটা ভেদ কৰি ৰৈ যায়, গুলীটোৰ গতিশক্তিয়ে তাপলৈ ৰূপান্তৰিত হয়, গুলীটোৰ উষ্ণতা আৰু কাঠৰ চাৰিওফালৰ স্তৰবোৰ সলনি কৰে। উষ্ণতা গুলীটোৰ আভ্যন্তৰীণ (অব্যৱস্থিত) গতিৰ শক্তিৰ সৈতে জড়িত, সম্পূৰ্ণৰূপে গুলীটোৰ গতিৰ সৈতে নহয়।

১১.২ তাপীয় সমতাওল [২২৭-২২৮]#

যান্ত্ৰিক বিজ্ঞানত সমতাওলৰ অৰ্থ হৈছে ব্যৱস্থাত নিট বহিঃৰ বল আৰু টৰ্ক শূন্য। তাপগতিবিজ্ঞানত ‘সমতাওল’ শব্দটো এটা ভিন্ন প্ৰসংগত প্ৰকাশ পায়: আমি কওঁ যে ব্যৱস্থাৰ অৱস্থা এটা সমতাওল অৱস্থা যদি ব্যৱস্থাক চৰিত্ৰায়িত কৰা স্থূল চলকবোৰ সময়ৰ সৈতে সলনি নহয়। উদাহৰণস্বৰূপে, সম্পূৰ্ণৰূপে ইয়াৰ চাৰিওফালৰ পৰা অন্তৰকৃত, এটা বন্ধ অনমনীয় পাত্ৰৰ ভিতৰত থকা গেছ এটা, চাপ, আয়তন, উষ্ণতা, ভৰ আৰু গঠনৰ স্থিৰ মানৰ সৈতে যিবোৰ সময়ৰ সৈতে সলনি নহয়, তাপগতিবিদ্যাৰ সমতাওল অৱস্থাত থাকে।

চিত্ৰ ১১.১ (ক) ব্যৱস্থা A আৰু B (দুটা গেছ) এটা ৰুদ্ধোষ্ণ (এডিয়াবেটিক) দেৱালৰ দ্বাৰা পৃথক কৰা হৈছে – এটা অন্তৰক দেৱাল যিয়ে তাপৰ প্ৰবাহৰ অনুমতি নিদিয়ে। (খ) একে ব্যৱস্থা A আৰু B এটা তাপসঞ্চাৰী (ডায়াথাৰ্মিক) দেৱালৰ দ্বাৰা পৃথক কৰা হৈছে – এটা পৰিবাহী দেৱাল যিয়ে তাপক এটাৰ পৰা আনটোলৈ বৈ যোৱাৰ অনুমতি দিয়ে। এই ক্ষেত্ৰত, উপযুক্ত সময়ত তাপীয় সমতাওল লাভ কৰা হয়।

সাধাৰণতে, ব্যৱস্থা এটা সমতাওল অৱস্থাত আছে নে নাই সেয়া চাৰিওফালৰ পৰিৱেশ আৰু ব্যৱস্থাক চাৰিওফালৰ পৰা পৃথক কৰা দেৱালৰ প্ৰকৃতিত নিৰ্ভৰ কৰে। দুটা ভিন্ন পাত্ৰত অধিকৃত দুটা গেছ $A$ আৰু $B$ বিবেচনা কৰক। আমি পৰীক্ষামূলকভাৱে জানো যে গেছৰ দিয়া ভৰৰ চাপ আৰু আয়তন ইয়াৰ দুটা স্বাধীন চলক হিচাপে বাছনি কৰিব পাৰি। গেছবোৰৰ চাপ আৰু আয়তন ক্ৰমে $\left(P_A, V_A\right)$ আৰু $\left(P_B, V_B\right)$ হ’ব দিয়ক। প্ৰথমে ধৰি লওক যে দুটা ব্যৱস্থা ওচৰত ৰখা হৈছে কিন্তু এটা ৰুদ্ধোষ্ণ (এডিয়াবেটিক) দেৱালৰ দ্বাৰা পৃথক কৰা হৈছে – এটা অন্তৰক দেৱাল (চলনক্ষম হ’ব পাৰে) যিয়ে শক্তি (তাপ)ৰ প্ৰবাহক এটাৰ পৰা আনটোলৈ যোৱাৰ অনুমতি নিদিয়ে। ব্যৱস্থাবোৰো একে ৰকমৰ ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালৰ দ্বাৰা বাকী চাৰিওফালৰ পৰা অন্তৰক কৰা হৈছে। পৰিস্থিতিটো চিত্ৰ ১১.১ (ক) ত চিহ্নিতভাৱে দেখুওৱা হৈছে। এই ক্ষেত্ৰত, দেখা যায় যে যিকোনো সম্ভৱ যোৰ মান $\left(P_{A}, V_{A}\right)$ যিকোনো সম্ভৱ যোৰ মান $\left(P_{B}, V_{B}\right)$ ৰ সৈতে সমতাওলত থাকিব। পৰৱৰ্তী, ধৰি লওক যে ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালটো তাপসঞ্চাৰী (ডায়াথাৰ্মিক) দেৱালৰ দ্বাৰা সলনি কৰা হৈছে – এটা পৰিবাহী দেৱাল যিয়ে শক্তি প্ৰবাহ (তাপ)ক এটাৰ পৰা আনটোলৈ যোৱাৰ অনুমতি দিয়ে। তেতিয়া দেখা যায় যে ব্যৱস্থাবোৰ $A$ আৰু $B$ ৰ স্থূল চলকবোৰ স্বতঃস্ফূৰ্তভাৱে সলনি হয় যেতিয়ালৈকে দুয়োটা ব্যৱস্থাই সমতাওল অৱস্থা লাভ নকৰে। তাৰ পিছত তেওঁলোকৰ অৱস্থাত কোনো পৰিৱৰ্তন নাথাকে। পৰিস্থিতিটো চিত্ৰ ১১.১(খ)ত দেখুওৱা হৈছে। দুটা গেছৰ চাপ আৰু আয়তন চলকবোৰ $\left(P_{B}{ }^{\prime}, V_{B}{ }^{\prime}\right)$ আৰু $\left(P_{A}{ }^{\prime}, V_{A}{ }^{\prime}\right)$ লৈ সলনি হয় যাতে $A$ আৰু $B$ ৰ নতুন অৱস্থাবোৰ পৰস্পৰৰ সৈতে সমতাওলত থাকে*। এটাৰ পৰা আনটোলৈ আৰু শক্তি প্ৰবাহ নাথাকে। তেতিয়া আমি কওঁ যে ব্যৱস্থা $A$ ব্যৱস্থা $B$ ৰ সৈতে তাপীয় সমতাওলত আছে।

দুটা ব্যৱস্থাৰ মাজৰ তাপীয় সমতাওলৰ পৰিস্থিতিটোক কি চৰিত্ৰায়িত কৰে? আপোনাৰ অভিজ্ঞতাৰ পৰা আপুনি উত্তৰটো অনুমান কৰিব পাৰে। তাপীয় সমতাওলত, দুটা ব্যৱস্থাৰ উষ্ণতা সমান। আমি দেখিম তাপগতিবিজ্ঞানত উষ্ণতাৰ ধাৰণালৈ কেনেকৈ উপনীত হোৱা যায়? তাপগতিবিজ্ঞানৰ শূন্যতম সূত্ৰটোৱে সূচনা দিয়ে।

১১.৩ তাপগতিবিজ্ঞানৰ শূন্যতম সূত্ৰ [২২৮-২২৯]#

দুটা ব্যৱস্থা $A$ আৰু $B$ কল্পনা কৰক, এটা ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালৰ দ্বাৰা পৃথক কৰা হৈছে, যেতিয়া প্ৰতিটো তৃতীয় ব্যৱস্থা $C$ ৰ সৈতে এটা পৰিবাহী দেৱালৰ জৰিয়তে সংস্পৰ্শত থাকে [চিত্ৰ ১১.২(ক)]। ব্যৱস্থাবোৰৰ অৱস্থা (অৰ্থাৎ, তেওঁলোকৰ স্থূল চলকবোৰ) সলনি হ’ব যেতিয়ালৈকে $A$ আৰু $B$ উভয়ে $C$ ৰ সৈতে তাপীয় সমতাওললৈ নাহে। ইয়াক সফল হোৱাৰ পিছত, ধৰি লওক যে $A$ আৰু $B$ ৰ মাজৰ ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালটো এটা পৰিবাহী দেৱালৰ দ্বাৰা সলনি কৰা হৈছে আৰু $C$ ক $A$ আৰু $B$ ৰ পৰা এটা ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালৰ দ্বাৰা অন্তৰক কৰা হৈছে [চিত্ৰ ১১.২(খ)]। দেখা যায় যে $A$ আৰু $B$ ৰ অৱস্থা আৰু সলনি নহয় অৰ্থাৎ তেওঁলোকক পৰস্পৰৰ সৈতে তাপীয় সমতাওলত থকা বুলি পোৱা যায়। এই পৰ্যবেক্ষণটোৱে তাপগতিবিজ্ঞানৰ শূন্যতম সূত্ৰৰ ভিত্তি গঠন কৰে, যিয়ে কয় যে ‘তৃতীয় ব্যৱস্থাৰ সৈতে পৃথকভাৱে তাপীয় সমতাওলত থকা দুটা ব্যৱস্থা পৰস্পৰৰ সৈতে তাপীয় সমতাওলত থাকে’। R.H. Fowler-এ ১৯৩১ চনত এই সূত্ৰটো গঠন কৰিছিল তাপগতিবিজ্ঞানৰ প্ৰথম আৰু দ্বিতীয় সূত্ৰবোৰ উল্লেখ কৰাৰ বহু পিছত আৰু সেইদৰে সংখ্যাযুক্ত কৰা হৈছিল।

শূন্যতম সূত্ৰই স্পষ্টভাৱে পৰামৰ্শ দিয়ে যে যেতিয়া দুটা ব্যৱস্থা $A$ আৰু $B$, তাপীয় সমতাওলত থাকে, তেতিয়া এটা ভৌতিক ৰাশি থাকিব লাগিব যাৰ মান দুয়োটাৰ বাবে একে। এই তাপগতিবিদ্যাৰ চলকটো যি মান দুটা তাপীয় সমতাওলত থকা ব্যৱস্থাৰ বাবে সমান তাক উষ্ণতা $(T)$ বুলি কোৱা হয়। এইদৰে, যদি $A$ আৰু $B$ পৃথকভাৱে $C, T_{A}=T_{C}$ আৰু $T_{B}=T_{C}$ ৰ সৈতে সমতাওলত থাকে। ইয়াৰ অৰ্থ হৈছে $T_{A}=T_{B}$ অৰ্থাৎ ব্যৱস্থা $A$ আৰু $B$ ও তাপীয় সমতাওলত থাকে।

আমি শূন্যতম সূত্ৰৰ জৰিয়তে আনুষ্ঠানিকভাৱে উষ্ণতাৰ ধাৰণালৈ উপনীত হৈছো। পৰৱৰ্তী প্ৰশ্ন হৈছে: বিভিন্ন শৰীৰৰ উষ্ণতালৈ সংখ্যাসূচক মান কেনেকৈ নিয়োগ কৰিব? অন্য কথাত, আমি উষ্ণতাৰ মাপনী কেনেকৈ নিৰ্মাণ কৰো? তাপমিতিয়ে এই মৌলিক প্ৰশ্নৰ সৈতে ব্যৱহাৰ কৰে যালৈ আমি পৰৱৰ্তী অংশত ঘূৰি আহো।

চিত্ৰ ১১.২ (ক) ব্যৱস্থা A আৰু B এটা ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালৰ দ্বাৰা পৃথক কৰা হৈছে, যেতিয়া প্ৰতিটো তৃতীয় ব্যৱস্থা C ৰ সৈতে এটা পৰিবাহী দেৱালৰ জৰিয়তে সংস্পৰ্শত থাকে। (খ) A আৰু B ৰ মাজৰ ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালটো এটা পৰিবাহী দেৱালৰ দ্বাৰা সলনি কৰা হৈছে, যেতিয়া C ক A আৰু B ৰ পৰা ৰুদ্ধোষ্ণ দেৱালৰ দ্বাৰা অন্তৰক কৰা হৈছে।

১১.৪ তাপ, আভ্যন্তৰীণ শক্তি আৰু কাৰ্য [২২৯-২৩০]#

তাপগতিবিজ্ঞানৰ শূন্যতম সূত্ৰই আমাক উষ্ণতাৰ ধাৰণালৈ লৈ গৈছিল যি আমাৰ সাধাৰণ জ্ঞানৰ ধাৰণাৰ সৈতে মিলে। উষ্ণতা হৈছে শৰীৰৰ ‘উষ্ণতা’ৰ এটা চিহ্নক। ই দুটা শৰীৰক তাপীয় সংস্পৰ্শত ৰখাৰ সময়ত তাপৰ প্ৰবাহৰ দিশ নিৰ্ধাৰণ কৰে। তাপ উচ্চ উষ্ণতাৰ শৰীৰৰ পৰা নিম্ন উষ্ণতাৰ শৰীৰলৈ বৈ যায়। উষ্ণতা সমান হ’লেই প্ৰবাহ ৰৈ যায়; তেতিয়া দুয়োটা শৰীৰ তাপীয় সমতাওলত থাকে। আমি কিছু বিশদভাৱে দেখিছিলোঁ কেনেকৈ বিভিন্ন শৰীৰলৈ উষ্ণতা নিয়োগ কৰিবলৈ উষ্ণতাৰ মাপনী নিৰ্মাণ কৰিব লাগে। আমি এতিয়া তাপ আৰু আন প্ৰাসংগিক ৰাশি যেনে আভ্যন্তৰীণ শক্তি আৰু কাৰ্যৰ ধাৰণাবোৰ বৰ্ণনা কৰো।

ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ ধাৰণাটো বুজিবলৈ কঠিন নহয়। আমি জানো যে প্ৰতিটো স্থূল ব্যৱস্থা বহুতো অণুৰে গঠিত। আভ্যন্তৰীণ শক্তি হৈছে কেৱল এই অণুবোৰৰ গতিশক্তি আৰু স্থিতি শক্তিৰ যোগফল। আমি আগতে উল্লেখ কৰিছিলো যে তাপগতিবিজ্ঞানত, সম্পূৰ্ণৰূপে ব্যৱস্থাৰ গতিশক্তি প্ৰাসংগিক নহয়। এইদৰে আভ্যন্তৰীণ শক্তি হৈছে, আণৱিক গতিশক্তি আৰু স্থিতি শক্তিৰ যোগফল যি প্ৰসংগৰ ফ্ৰেমত যাৰ সাপেক্ষে ব্যৱস্থাৰ ভৰকেন্দ্ৰ স্থিৰত থাকে। এইদৰে, ই কেৱল ব্যৱস্থাৰ অণুবোৰৰ অনিয়মিত গতিৰ সৈতে জড়িত (অব্যৱস্থিত) শক্তিকহে অন্তৰ্ভুক্ত কৰে। আমি ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিক $U$ ৰ দ্বাৰা সূচাও।

যদিও আমি আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ অৰ্থ বুজিবলৈ আণৱিক চিত্ৰক আহ্বান কৰিছো, যিমানদূৰ তাপগতিবিজ্ঞানৰ সৈতে জড়িত, $U$ কেৱল ব্যৱস্থাৰ এটা স্থূল চলক। আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ বিষয়ে গুৰুত্বপূৰ্ণ কথা হৈছে যে ই কেৱল ব্যৱস্থাৰ অৱস্থাৰ ওপৰত নিৰ্ভৰ কৰে, সেই অৱস্থা কেনেকৈ লাভ কৰা হৈছিল তাৰ ওপৰত নহয়। ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি $U$ হৈছে তাপগতিবিদ্যাৰ ‘অৱস্থা চলক’ৰ এটা উদাহৰণ – ইয়াৰ মান কেৱল ব্যৱস্থাৰ দিয়া অৱস্থাৰ ওপৰত নিৰ্ভৰ কৰে, ইতিহাসৰ ওপৰত নহয় অৰ্থাৎ সেই অৱস্থালৈ উপনীত হ’বলৈ লোৱা ‘পথ’ৰ ওপৰত নহয়। এইদৰে, গেছৰ দিয়া ভৰৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি ইয়াৰ অৱস্থাৰ ওপৰত নিৰ্ভৰ কৰে যাক চাপ, আয়তন আৰু উষ্ণতাৰ নিৰ্দিষ্ট মানৰ দ্বাৰা বৰ্ণনা কৰা হয়। গেছৰ এই অৱস্থা কেনেকৈ আহিল তাৰ ওপৰত ই নিৰ্ভৰ নকৰে। চাপ, আয়তন, উষ্ণতা, আৰু আভ্যন্তৰীণ শক্তি হৈছে ব্যৱস্থাৰ (গেছৰ) তাপগতিবিদ্যাৰ অৱস্থা চলক (বিভাগ ১১.৭ চাওক)। যদি আমি গেছত সৰু আন্তঃআণৱিক বলবোৰ উপেক্ষা কৰো, গেছ এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি হৈছে কেৱল ইয়াৰ অণুবোৰৰ বিভিন্ন অনিয়মিত গতিৰ সৈতে জড়িত গতিশক্তিৰ যোগফল। আমি পৰৱৰ্তী অধ্যায়ত দেখিম যে গেছত এই গতি কেৱল সৰলৰৈখিক (অৰ্থাৎ পাত্ৰৰ আয়তনৰ ভিতৰত এটা বিন্দুৰ পৰা আন এটা বিন্দুলৈ গতি) নহয়; ই অণুবোৰৰ ঘূৰ্ণন আৰু কম্পন গতিকো অন্তৰ্ভুক্ত কৰে (চিত্ৰ ১১.৩)।

চিত্ৰ ১১.৩ (ক) গেছ এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি U হৈছে ইয়াৰ অণুবোৰৰ গতিশক্তি আৰু স্থিতি শক্তিৰ যোগফল যেতিয়া বাকচটো স্থিৰত থাকে। বিভিন্ন প্ৰকাৰৰ গতি (সৰলৰৈখিক, ঘূৰ্ণন, কম্পন)ৰ বাবে গতিশক্তি U ত অন্তৰ্ভুক্ত কৰিব লাগিব।(খ) যদি একে বাকচটো সামগ্ৰিকভাৱে কিছু বেগেৰে গতি কৰি থাকে, বাকচটোৰ গতিশক্তি U ত অন্তৰ্ভুক্ত কৰিব নালাগে।

চিত্ৰ ১১.৪ তাপ আৰু কাৰ্য হৈছে শক্তি স্থানান্তৰৰ দুটা পৃথক প্ৰকাৰ যি ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ পৰিৱৰ্তনৰ ফলত হয়। (ক) তাপ হৈছে ব্যৱস্থা আৰু চাৰিওফালৰ মাজৰ উষ্ণতাৰ পাৰ্থক্যৰ বাবে শক্তি স্থানান্তৰ। (খ) কাৰ্য হৈছে শক্তি স্থানান্তৰ যি এনে উষ্ণতাৰ পাৰ্থক্য নোহোৱা উপায়েৰে (উদাহৰণস্বৰূপে, ইয়াৰ সৈতে সংযোগ কৰা কিছু ভৰ উঠাই বা নমাই পিষ্টনটো চলাই) সম্পন্ন কৰা হয়।

ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি সলনি কৰাৰ উপায়বোৰ কি? পুনৰ বিবেচনা কৰক, সৰলতাৰ বাবে, ব্যৱস্থাটো চিত্ৰ ১১.৪ ত দেখুওৱাৰ দৰে চলনক্ষম পিষ্টন থকা চিলিণ্ডাৰ এটাত থকা গেছৰ নিৰ্দিষ্ট ভৰ হ’ব। অভিজ্ঞতাই দেখুৱায় যে গেছৰ অৱস্থা (আৰু সেয়েহে ইয়াৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি) সলনি কৰাৰ দুটা উপায় আছে। এটা উপায় হৈছে চিলিণ্ডাৰটো গেছতকৈ উচ্চ উষ্ণতাৰ শৰীৰ এটাৰ সৈতে সংস্পৰ্শত ৰখা। উষ্ণতাৰ পাৰ্থক্যই শক্তি (তাপ)ৰ প্ৰবাহক গৰম শৰীৰৰ পৰা গেছলৈ হ’বলৈ দিব, এইদৰে গেছৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি বৃদ্ধি কৰিব। আনটো উপায় হৈছে পিষ্টনটো তললৈ হেঁচা মৰা অৰ্থাৎ ব্যৱস্থাত কাৰ্য কৰা, যিয়ে পুনৰ গেছৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি বৃদ্ধি কৰাৰ ফল দিয়ে। নিশ্চয়ভাৱে, এই দুটা বস্তু বিপৰীত দিশত হ’ব পাৰে। নিম্ন উষ্ণতাৰ চাৰিওফালৰ সৈতে, তাপ গেছৰ পৰা চাৰিওফাললৈ বৈ যাব। একেদৰে, গেছটোৱে পিষ্টনটো ওপৰলৈ হেঁচি মাৰি চাৰিওফালত কাৰ্য কৰিব পাৰে। চমুকৈ, তাপ আৰু কাৰ্য হৈছে তাপগতিবিদ্যাৰ ব্যৱস্থা এটাৰ অৱস্থা সলনি কৰাৰ আৰু ইয়াৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি সলনি কৰাৰ দুটা ভিন্ন প্ৰকাৰ।

তাপৰ ধাৰণাটো আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ ধাৰণাৰ পৰা সাৱধানেৰে পৃথক কৰিব লাগিব। তাপ নিশ্চয় শক্তি, কিন্তু ই স্থানান্তৰিত হৈ থকা শক্তি। এইটো কেৱল শব্দৰ খেল নহয়। পাৰ্থক্যটো মৌলিক গুৰুত্বৰ। তাপগতিবিদ্যাৰ ব্যৱস্থা এটাৰ অৱস্থাক ইয়াৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ দ্বাৰা চৰিত্ৰায়িত কৰা হয়, তাপৰ দ্বাৰা নহয়। ‘দিয়া অৱস্থাত থকা গেছৰ এক নিৰ্দিষ্ট পৰিমাণৰ তাপ আছে’ বুলি কোৱা বাক্যটো ‘দিয়া অৱস্থাত থকা গেছৰ এক নিৰ্দিষ্ট পৰিমাণৰ কাৰ্য আছে’ বুলি কোৱা বাক্যটোৰ দৰেই অৰ্থহীন। বিপৰীতভাৱে, ‘দিয়া অৱস্থাত থকা গেছৰ এক নিৰ্দিষ্ট পৰিমাণৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি আছে’ বুলি কোৱা বাক্যটো সম্পূৰ্ণৰূপে অৰ্থপূৰ্ণ। একেদৰে, বাক্যবোৰ ‘ব্যৱস্থালৈ এক নিৰ্দিষ্ট পৰিমাণৰ তাপ যোগান ধৰা হৈছে’ বা ‘ব্যৱস্থাৰ দ্বাৰা এক নিৰ্দিষ্ট পৰিমাণৰ কাৰ্য কৰা হৈছিল’ সম্পূৰ্ণৰূপে অৰ্থপূৰ্ণ।

সংক্ষিপ্ত কৰিবলৈ, তাপগতিবিজ্ঞানত তাপ আৰু কাৰ্য অৱস্থা চলক নহয়। ইহঁত হৈছে ব্যৱস্থালৈ শক্তি স্থানান্তৰৰ প্ৰকাৰ যি ইয়াৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ পৰিৱৰ্তনৰ ফল দিয়ে, যিটো আগতেই উল্লেখ কৰা হৈছে, এটা অৱস্থা চলক।

সাধাৰণ ভাষাত, আমি প্ৰায়ে তাপক আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ সৈতে গুলিয়াই ফালে। তেওঁলোকৰ মাজৰ পাৰ্থক্যক কেতিয়াবা প্ৰাথমিক পদাৰ্থ বিজ্ঞানৰ কিতাপত উপেক্ষা কৰা হয়। কিন্তু তাপগতিবিজ্ঞানৰ সঠিক বুজাবুজিৰ বাবে, পাৰ্থক্যটো গুৰুত্বপূৰ্ণ।

১১.৫ তাপগতিবিজ্ঞানৰ প্ৰথম সূত্ৰ [২২৮-২২৯]#

আমি দেখিছো যে ব্যৱস্থা এটাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি $U$ শক্তি স্থানান্তৰৰ দুটা প্ৰকাৰৰ জৰিয়তে সলনি হ’ব পাৰে: তাপ আৰু কাৰ্য। ধৰি লওক

$\Delta Q=$ চাৰিওফালৰ দ্বাৰা ব্যৱস্থালৈ যোগান ধৰা তাপ

$\Delta W=$ ব্যৱস্থাৰ দ্বাৰা চাৰিওফালত কৰা কাৰ্য

$\Delta U=$ ব্যৱস্থাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তিৰ পৰিৱৰ্তন

শক্তি সংৰক্ষণৰ সাধাৰণ নীতিটোৱে তেতিয়া সূচায় যে

$$\Delta Q=\Delta U+\Delta W \tag{11.1}$$

অৰ্থাৎ ব্যৱস্থালৈ যোগান ধৰা শক্তি $(\Delta Q)$ আংশিকভাৱে ব্যৱস্থাৰ আভ্যন্তৰীণ শক্তি বৃদ্ধি কৰিবলৈ যায় $(\Delta U)$ আৰু বাকীটো পৰিৱেশৰ ওপৰত কাৰ্যত $(\Delta W)$। সমীকৰণ (১১.১)ক তাপগতিবিজ্ঞানৰ প্ৰথম সূত্ৰ বুলি জনা যায়। ই কেৱল শক্তি সংৰক্ষণৰ সাধাৰণ নিয়ম যিকোনো ব্যৱস্থাত প্ৰয়োগ কৰা হয় য’ত চাৰিওফালৰ পৰা বা চাৰিওফাললৈ শক্তি স্থানান্তৰক বিবেচনা কৰা হয়।

আকৌ, সমীকৰণ (১১.১)ক বিকল্প ৰূপত ৰাখো

$$ \begin{equation*} \Delta Q-\Delta W=\Delta U \tag{11.2} \end{equation*} $$

এতিয়া, ব্যৱস্থাটো বহুতো উপায়েৰে আৰম্ভণি অৱস্থাৰ পৰা অন্তিম অৱস্থালৈ যাব পাৰে। উদাহৰণস্বৰূপে, গেছৰ অৱস্থা $\left(P_{1}, V_{1}\right)$ ৰ পৰা $\left(P_{2}, V_{2}\right)$ লৈ সলনি কৰিবলৈ, আমি প্ৰথমে গেছৰ আয়তন $V_{1}$ ৰ পৰা $V_{2}$ লৈ সলনি কৰিব পাৰো, ইয়াৰ চাপ স্থিৰ ৰাখি অৰ্থাৎ আমি প্ৰথমে অৱস্থা $\left(P_{1}, V_{2}\right)$ লৈ যাব পাৰো আৰু তাৰ পিছত গেছৰ চাপ $P_{1}$ ৰ পৰা $P_{2}$ লৈ সলনি কৰিব পাৰো, আয়তন স্থিৰ ৰাখি, গেছটো $\left(P_{2}, V_{2}\right)$ লৈ নিবলৈ। বিকল্পভাৱে, আমি প্ৰথমে আয়তন স্থিৰ ৰাখিব পাৰো আৰু তাৰ পিছত চাপ স্থিৰ ৰাখিব পাৰো। যিহেতু $U$ এটা অৱস্থা চলক, $\Delta U$ কেৱল আৰম্ভণি আৰু অন্তিম অৱস্থাৰ ওপৰত নিৰ্ভৰ কৰে আৰু গেছটোৱে এটাৰ পৰা আনটোলৈ যাবলৈ লোৱা পথ