১১.১ পরিচিতি

পূর্ববর্তী অধ্যায়ে আমরা পদার্থের তাপীয় গুণগত বৈশিষ্ট্যগুলি নিয়ে আলোচনা করেছি। এই অধ্যায়ে আমরা তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণকারী নিয়মগুলি নিয়ে আলোচনা করব। আমরা তাপমাত্রা থেকে কাজে ও উল্টাপাল্টা রূপান্তর হয়ে যাওয়ার প্রক্রিয়াগুলি নিয়ে আলোচনা করব। শীতকালে, যখন আমরা আমাদের হাতের কাপড় মিলিয়ে ঘুরিয়ে দেই, আমরা গরম অনুভব করি; এখানে ঘুরিয়ে দেওয়ার কাজ থেকে ‘তাপ’ উৎপন্ন হয়। উল্টাপাল্টা, একটি ভূতাপ ইঞ্জিনে, ভূতাপের ‘তাপ’ পিস্তন্টগুলি ঘূর্ণন করতে সহায়তা করে, যা পরে ট্রেনের চাকাগুলি ঘূর্ণন করে।

ভৌত বৈজ্ঞানিক বিজ্ঞাপনগুলি তাপ, তাপমাত্রা, কাজ ইত্যাদি আরও সাবধানে সংজ্ঞায়িত করা প্রয়োজন। ঐতিহাসিকভাবে, ‘তাপ’ এর সঠিক ধারণা পাওয়াতে অনেক সময় লাগেছে। আধুনিক ধারণার আগে, তাপকে একটি পদার্থের খোলাগুলিতে ভরপুর একটি সূক্ষ্ম অদৃশ্য দ্রব্য হিসাবে বিবেচনা করা হত। একটি গরম ও একটি ঠাণ্ডা পদার্থের মধ্যে যোগদানের সময়, এই দ্রব্য (যা ক্যালরিক নামে ডাকা হয়) ঠাণ্ডার পদার্থ থেকে গরম পদার্থে প্রবাহিত হত। এটি দুটি ট্যাঙ্কে পানির স্তর আলাদা হওয়ার কারণে একটি আধরিক পাইপ দ্বারা সংযুক্ত হওয়ার মতো। পানির স্তরগুলি একই হওয়া পর্যন্ত প্রবাহ চলে। এভাবেই, তাপের ‘ক্যালরিক’ ধারণায়, তাপ প্রবাহিত হয় যতক্ষণ না ‘ক্যালরিক স্তর’ (অর্থাৎ, তাপমাত্রা) সমতুল্য হয়ে যায়।

সময়ের সাথে, তাপকে একটি দ্রব্য হিসাবে ধারণা অস্বীকার করা হয়েছে এব় তাপকে এক ধরনের শক্তির আধুনিক ধারণার পরিবর্তে বিবেচনা করা হয়েছে। এই সম্পর্কে একটি গুরুত্বপূর্ণ পরীক্ষা বেঞজামিন থমপসন (যাকে কাউন্ট রামফোর্ড বলা হয়) ১৭৯৮ সালে করেছিলেন। তিনি দেখেন যে একটি ব্রাজিল ক্যাননের খোলা করা অনেক তাপ উৎপন্ন করে, বস্তুত পানি উল্টে দেওয়ার মতো তাপ উৎপন্ন করে। আরও গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হলো, উৎপন্ন তাপের পরিমাণ শক্তির কাজের (ড্রিল ঘুরানোর জন্য ব্যবহৃত ঘোড়াদের দ্বারা) করা কাজের উপর নির্ভর করে, কিন্তু ড্রিলের সূক্ষ্মতার উপর নয়। ক্যালরিক ধারণায়, আরও সূক্ষ্ম একটি ড্রিল পদার্থের খোলাগুলি থেকে আরও বেশি তাপ দ্রব্য বের করে তুলতে পারতো; কিন্তু এটি প্রত্যাশিত হয়নি। প্রত্যাশিত প্রতিক্রিয়ার জন্য একটি সবচেয়ে স্বাভাবিক ব্যাখ্যা হলো যে তাপ শক্তির একটি ধরন এব় পরীক্ষা শক্তিকে এক ধরনের থেকে অন্য ধরনের শক্তিতে রূপান্তর করে।

তাপগতিকতা হলো ভৌত বৈজ্ঞানিক শাখা, যেখানে তাপ ও তাপমাত্রা নিয়ে আলোচনা করা হয় এব় তাপ ও অন্যান্য ধরনের শক্তির মধ্যে রূপান্তর নিয়ে আলোচনা করা হয়। তাপগতিকতা একটি ম্যাক্রোস্কোপিক বৈজ্ঞানিক শাখা। এটি পদার্থের আণুগতিক গঠন নিয়ে আলোচনা করে না। বস্তুত, তার ধারণা ও নিয়মগুলি নতুন করে প্রস্তুত করা হয়েছিল নবশত্তর শতাব্দীতে, যখন পদার্থের আণুগতিক ধারণা নিশ্চিতভাবে গড়ে উঠেনি। তাপগতিক বর্ণনা পদার্থের সামান্য পরিমাণগুলি নিয়ে আলোচনা করে, যা সাধারণ বুদ্ধি ও সরাসরি পরিমাপ করা যায়। উদাহরণস্বরূপ, একটি গ্যাসের আণুগতিক বর্ণনা করতে হলে গ্যাসের গঠনকারী অসংখ্য আণুসমূহের স্থান ও গতির বিবরণ দেওয়া প্রয়োজন। গ্যাসগতিক তত্ত্বের বর্ণনা এতটা বিস্তারিত নয়, কিন্তু এটি আণুগতিক গতির বহুল বিন্যাস নিয়ে আলোচনা করে। পরস্পর, তাপগতিকতার বর্ণনা পর্যায়ে আণুগতিক বর্ণনা সম্পূর্ণ এড়িয়ে চলে। বরং, একটি গ্যাসের তাপগতিকতার অবস্থা প্রতিবেদনশীল সংবেদন ও পরিমাপযোগ্য মৌলিক পরিমাণগুলি দ্বারা নির্দেশিত হয়, যেমন দমন, আয়তন, তাপমাত্রা, মাত্রা ও সংকরণ।

গতিবিদ্যা ও তাপগতিকতার মধ্যে পার্থক্য মনে রাখা উচিত। গতিবিদ্যায়, আমাদের আগ্রহ পদার্থ বা কণাগুলির গতিবিদ্যা এব় শক্তি ও টোর্কের ক্রিয়াকে নিয়ে আছে। তাপগতিকতা পদার্থের সামগ্রিক গতিবিদ্যা নিয়ে আলোচনা করে না। এটি পদার্থের আন্তঃ ম্যাক্রোস্কোপিক অবস্থা নিয়ে আলোচনা করে। একটি বোলেট একটি বোনে থেকে তীব্রভাবে বেগে ছড়ালে, এর গতিবিদ্যা পরিবর্তন হয় (বিশেষত এর গতিশক্তি), কিন্তু এর তাপমাত্রা পরিবর্তন হয় না। যখন বোলেট একটি কাঠের কাঠামোতে পাতলা হয়ে থামে, বোলেটের গতিশক্তি তাপে রূপান্তরিত হয়, যা বোলেট ও পরিবেষ্টিত কাঠের স্তরগুলির তাপমাত্রা পরিবর্তন করে। তাপমাত্রা বোলেটের সামগ্রিক (সমন্বয়মূলক) গতির শক্তির সাথে সম্পর্কিত নয়, বরং এটি বোলেটের আন্তঃ (অসমন্বয়মূলক) গতির শক্তির সাথে সম্পর্কিত।

১১.২ তাপীয় সমতুল্যতা

গতিবিদ্যায় সমতুল্যতা মানে হলো একটি পদার্থের সামগ্রিক বহিঃশক্তি ও টোর্ক শূন্য। তাপগতিকতায় ‘সমতুল্যতা’ শব্দটি একটি আলাদা প্রসঙ্গে ব্যবহৃত হয়: আমরা বলি যে একটি পদার্থের অবস্থা একটি সমতুল্যতা অবস্থা হলে পদার্থটি নির্দিষ্ট পরিমাণগুলি সমতুল্যতার অবস্থায় পরিণত হয় না। উদাহরণস্বরূপ, একটি বন্ধ করা কঠিন কন্টেইনারের ভিতরে থাকা একটি গ্যাস, যা পরিবেষ্টন করা হয়নি, যার দমন, আয়তন, তাপমাত্রা, মাত্রা ও সংকরণের মান সময়ের সাথে পরিবর্তন হয় না, তাকে একটি তাপগতিকতার সমতুল্যতা অবস্থায় বলে।

আকৃতি ১১.১ (ক) সিস্টেম A ও B (দুটি গ্যাস) একটি আধরিক দেয়াল দ্বারা আলাদা করা হয়েছে – একটি পরিবেষ্টন করা দেয়াল যা তাপ প্রবাহিত করে না। (খ) একই সিস্টেম A ও B একটি দ্বারপাত দ্বারা আলাদা করা হয়েছে – একটি পরিবেষ্টন করা দেয়াল যা তাপ একটি থেকে অন্যটিতে প্রবাহিত করে। এই ক্ষেত্রে, তাপীয় সমতুল্যতা প্রয়োজনীয় সময়ের মধ্যে পাওয়া যায়।

সাধারণত, একটি পদার্থের সমতুল্যতা অবস্থায় আসা বা না আসা পরিবেষ্টন ও পদার্থ থেকে পরিবেষ্টন করা দেয়ালের ধরনের উপর নির্ভর করে। দুটি গ্যাস $A$ ও $B$ দুটি আলাদা কন্টেইনারে বসানো হলে আমরা পরীক্ষামূলকভাবে জানি যে একটি নির্দিষ্ট মাত্রার গ্যাসের দমন ও আয়তন তার দুটি স্বাধীন পরিবর্তনশীল পরিমাণ হিসাবে বেছে নেওয়া যায়। গ্যাসগুলির দমন ও আয়তন $\left(P_A, V_A\right)$ ও $\left(P_B, V_B\right)$ হলে, প্রথমে দুটি সিস্টেমকে কাছাকাছি রাখা হয় কিন্তু একটি আধরিক দেয়াল দ্বারা আলাদা করা হয় – একটি পরিবেষ্টন করা দেয়াল (ঘুরতে পারে) যা একটি থেকে অন্যটিতে শক্তি (তাপ) প্রবাহিত করে না। সিস্টেমগুলি পরিবেষ্টন করা দেয়াল দ্বারা পরিবেষ্টিত হয়। এই অবস্থা আকৃতি ১১.১ (ক) এ রচিত হয়েছে। এই ক্ষেত্রে, যেকোনো সম্ভাব্য দমন ও আয়তনের জোড়া $\left(P_{A}, V_{A}\right)$ এব় যেকোনো সম্ভাব্য দমন ও আয়তনের জোড়া $\left(P_{B}, V_{B}\right)$ সমতুল্যতা অবস্থায় থাকে। পরে, আধরিক দেয়ালটি দ্বারপাত দেয়াল দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয় – একটি পরিবেষ্টন করা দেয়াল যা একটি থেকে অন্যটিতে শক্তি প্রবাহিত করে। এই ক্ষেত্রে, সিস্টেমগুলির $A$ ও $B$ ম্যাক্রোস্কোপিক পরিবর্তনশীল পরিমাণ স্বয়ংস্থাপনভাবে পরিবর্তন হয় যাতে উভয় সিস্টেম সমতুল্যতা অবস্থায় পরিণত হয়। এর পর তাদের অবস্থায় আর কোনো পরিবর্তন হয় না। এই অবস্থা আকৃতি ১১.১ (খ) এ রচিত হয়েছে। দুটি গ্যাসের দমন ও আয়তন পরিবর্তিত হয় $\left(P_{B}{ }^{\prime}, V_{B}{ }^{\prime}\right)$ ও $\left(P_{A}{ }^{\prime}, V_{A}{ }^{\prime}\right)$ যাতে $A$ ও $B$ এর নতুন অবস্থাগুলি একে অপরের সাথে সমতুল্যতা অবস্থায় থাকে। এর পর থেকে একটি থেকে অন্যটিতে কোনো শক্তি প্রবাহ হয় না। তাহলে আমরা বলি যে সিস্টেম ⟦64