Physics chapter 6: Effects of Heat on Matter

ষষ্ঠ অধ্যায়

বস্তুর ওপর তাপের প্রভাব

(Effects of Heat on Matter)

তাপ হচ্ছে একধরনের শক্তি। শক্তির ধারণা থেকে আমাদের মনে হতে পারে বেশি তাপশক্তি থেকে বুঝি সব সময়ই তাপ কম তাপশক্তির দিকে যায়; কিন্তু সেটি সত্যি নয়। তাপশক্তি কোন দিকে যাবে সেটি নির্ভর করে তাপমাত্রার উপর। এই অধ্যায়ে আমরা তাপ এবং তাপমাত্রা কীভাবে পরিমাপ করতে পারি এবং দুইয়ের মাঝে কী সম্পর্ক সেটি দেখব।

তাপশক্তিটুকু আসলে বস্তুর অণু-পরমাণুর গতি বা কম্পন থেকে এসেছে। তাপ দিয়ে কোনো কঠিন বস্তুর অণুগুলোর কম্পন যদি অনেক বাড়িয়ে দেওয়া যায়,তাহলে একটি অণু অন্য অণু থেকে সরে যেতে পারে অর্থাৎ অবস্থার পরিবর্তন হতে পারে। এই অধ্যায়ে আমরা কঠিন, তরল এবং গ্যাসের উপর তাপের প্রভাব নিয়ে আলোচনা করব।

Printed page 160

এ অধ্যায় শেষে আমরা –

• তাপ ও তাপমাত্রা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• পদার্থের তাপমাত্রিক ধর্ম ব্যাখ্যা করতে পারব।
• ফারেনহাইট, সেলসিয়াস এবং কেলভিন স্কেলের মধ্যে সম্পর্ক বুঝতে পারব।
• বস্তুর অভ্যন্তরীণ শক্তি বৃদ্ধির সাপেক্ষে তাপমাত্রা বৃদ্ধি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• পদার্থের তাপীয় প্রসারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• কঠিন পদার্থের দৈর্ঘ্য, ক্ষেত্রফল এবং আয়তন প্রসারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তরলের আপাত ও প্রকৃত প্রসারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• আপেক্ষিক তাপ ও তাপ ধারণক্ষমতা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তাপ পরিমাপের মূলনীতি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• পদার্থের অবস্থার পরিবর্তনে তাপের প্রভাব ব্যাখ্যা করতে পারব।
• গলন, বাষ্পীভবন ও ঘনীভবন ব্যাখ্যা করতে পারব।
• গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক ব্যাখ্যা করতে পারব।
• গলনাঙ্কের উপর চাপের প্রভাব ব্যাখ্যা করতে পারব।
• স্ফুটন ও বাষ্পায়ন ব্যাখ্যা করতে পারব।
• গলনের এবং বাষ্পীভবনের সুপ্ততাপ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• বাষ্পায়ন শীতলীকরণের কারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• বাষ্পায়নের উপর নিয়ামকের প্রভাব ব্যাখ্যা করতে পারব।

Printed page 161

৬.১ তাপ ও তাপমাত্রা (Heat and Temperature)

তাপ একধরনের শক্তি। আমরা দেখেছি শক্তি কাজ করতে পারে, যেমন – ট্রেন বা গাড়িতে আসলে জ্বালানি তেল জ্বালিয়ে তাপ তৈরি করা হয়, যেটা ট্রেন বা গাড়িকে ছুটিয়ে নিয়ে যায়। সেজন্য আলো, বিদ্যুৎ বা গতিশক্তির মতো আমরা নতুন ধরনের এই শক্তির নাম দিয়েছি তাপশক্তি।

মজার ব্যাপার হচ্ছে, আমরা যদি আণবিক পর্যায়ে দেখতে পেতাম অর্থাৎ যেকোনো পদার্থের দিকে তাকালেই তার অণুগুলোকে দেখতে পেতাম তাহলে সম্ভবত তাপশক্তি নামে একটা নতুন নাম না দিয়ে এটাকে ‘গতিশক্তি’ নামেই রেখে দিতাম। তার কারণ তাপশক্তি বলতে আমরা যেটা বোঝাই সেটা আসলে পদার্থের অণুগুলোর সম্মিলিত গতিশক্তি ছাড়া কিছু নয়। একটা কঠিন পদার্থে অণুগুলো যখন উত্তপ্ত হয় তখন অণুগুলো নিজের নির্দিষ্ট অবস্থানে থেকে কাঁপতে থাকে। যত বেশি উত্তপ্ত হবে অণুগুলোর কাঁপুনি তত বেড়ে যাবে। যদি অনেক বেশি উত্তপ্ত হয় তাহলে অণুগুলোর নিজেদের ভেতরে যে আন্তঃআণবিক বল রয়েছে, সেই বলকে ছাড়িয়ে অণুগুলো মুক্ত হয়ে যাবে। তখন আমরা সেটাকে বলি তরল। তখন অণুগুলো এলোমেলোভাবে একে অন্যের ভেতর দিয়ে ছোটাছুটি করতে থাকে। তাদের একটা গতি থাকে কাজেই এটা গতিশক্তি। যত উত্তপ্ত করা হয় অণুগুলো তত জোরে ছোটাছুটি করে। যদি আরো উত্তপ্ত করা হয় তখন অণুগুলো আণবিক বন্ধন থেকে পুরোপুরি মুক্ত হয়ে যেতে পারে। আমরা তখন সেটাকে বলি গ্যাস। একটা গ্যাসকে যত উত্তপ্ত করা হবে, অণুগুলো তত জোরে ছোটাছুটি করবে। গতি যত বেশি হবে গতিশক্তি তত বেশি হবে।

যেহেতু খালি চোখে আমরা অণুগুলোকে দেখি না, তাদের ছোটাছুটি দেখি না; তাই আমরা পরোক্ষভাবে পুরো জিনিসটা বোঝার চেষ্টা করি। আমরা সেটাকে তাপশক্তি নাম দিই এবং তাপমাত্রা বলে পদার্থের তাপীয় অবস্থা ব্যাখ্যা করার চেষ্টা করি। কাজেই আমরা বলতে পারি পদার্থের অণুগুলোর কম্পন বা গতির কারণে যে শক্তি পাওয়া যায় সেটা হচ্ছে তাপ। যেহেতু এটা শক্তি তাই স্বাভাবিকভাবে অন্য শক্তির মতোই তার একক হচ্ছে জুল (J)। তাপের আরো একটি একক আছে তার নাম ক্যালরি (cal)। $1$ gm পানির তাপমাত্রা $1^\circ C$ বাড়াতে হলে যে পরিমাণ তাপের দরকার সেটা হচ্ছে $1$ ক্যালরি। $1$ ক্যালরি হচ্ছে $4.2$ J এর সমান।

তোমরা হয়তো খাবারের জন্য ক্যালরি শব্দটি ব্যবহার করতে শুনেছ। ফুড ক্যালরি বলতে আসলে বোঝানো হয় মানুষ নির্দিষ্ট খাবার থেকে কী পরিমাণ শক্তি পায় এবং এটার জন্য একক আসলে $k$ cal বা $1000$ ক্যালরি। তবে সেটা নিয়ে আমরা মাথা ঘামাব না। এখানে আমরা খাবার থেকে পাওয়া শক্তি নয় তাপশক্তি নিয়েই আলোচনা করব।

Printed page 162

৬.১.১ অভ্যন্তরীণ শক্তি ও তাপের প্রবাহ (Internal Energy and Flow of Heat)

আমরা যদি তাপকে একটা শক্তি হিসেবে মেনে নিই, তাহলে সাথে সাথে এর পরের যে বিষয়টা আমাদের জানতে হবে। সেটা হচ্ছে কীভাবে তাপশক্তি এক জায়গা থেকে অন্য জায়গায় স্থানান্তরিত হয়। সাধারণভাবে আমাদের ধারণা সব সময়ই শক্তির প্রবাহ হয় বুঝি বেশি শক্তি থেকে কম শক্তিতে। ছোট একটা গরম আলপিনে যে পরিমাণ তাপশক্তি রয়েছে তার থেকে অনেক বেশি তাপশক্তি রয়েছে এক গ্লাস পানিতে। কিন্তু গরম আলপিনটা আমরা যদি পানিতে ডুবিয়ে দিই তাহলে কিন্তু আলপিনের অল্প তাপশক্তি থেকেই খানিকটা চলে যাবে গ্লাসের পানিতে। তার কারণ তাপশক্তির প্রবাহটা তাপের পরিমাণের ওপর নির্ভর করে না, এটা নির্ভর করে তাপমাত্রার উপরে। দুটো ভিন্ন তাপমাত্রার জিনিস যদি একে অন্যের সংস্পর্শে আসে, তাহলে সব সময়ই বেশি তাপমাত্রা থেকে তাপ কম তাপমাত্রার জিনিসে যেতে থাকবে যতক্ষণ না দুটোর তাপমাত্রা সমান হচ্ছে।

আমরা এখনো ‘তাপমাত্রা’ নামের রাশিটি সংজ্ঞায়িত করিনি। কিন্তু দৈনন্দিন জীবনে এটি এত ব্যবহৃত হয় যে বিষয়টি কী তা বুঝতে কারো সমস্যা হয় না। পদার্থবিজ্ঞানের ভাষায় বলতে পারি, এটা হচ্ছে পদার্থের ভেতরকার অণুগুলোর গড় গতিশক্তির একটা পরিমাপ। আমাদের অভিজ্ঞতা থেকে আমরা বলতে পারি, তাপমাত্রা হচ্ছে সেই তাপীয় অবস্থা যেটি ঠিক করে একটা বস্তু অন্য বস্তুর সংস্পর্শে এলে সেটি কি তাপ দেবে নাকি তাপ নেবে। বিষয়টা বোঝানোর জন্য আমরা পানির পৃষ্ঠদেশের উচ্চতার সাথে তুলনা করতে পারি (চিত্র ৬.০১)। যদি পানির দুটি পাত্রে পানির পৃষ্ঠদেশের উচ্চতা ভিন্ন হয়, তাহলে পাত্র দুটিকে একটি নল দিয়ে একত্র করার পর কোন পাত্রে পানি বেশি কোন পাত্রে পানি কম সেটি পানির প্রবাহ ঠিক করবে না। কোন পাত্র থেকে কোন পাত্রে পানি যাবে সেটা নির্ভর করবে কোন পাত্রের পানির পৃষ্ঠদেশের উচ্চতা কত তার ওপর। সব সময়ই বেশি উচ্চতা থেকে পানি কম উচ্চতায় প্রবাহিত হবে, যতক্ষণ পর্যন্ত না দুটি উচ্চতা সমান হয়ে যাচ্ছে। এখানে পানির পরিমাণটাকে তাপশক্তির সাথে তুলনা করতে পারি, পানির পৃষ্ঠদেশের উচ্চতাকে তুলনা করতে পারি তাপমাত্রার সাথে। তাপমাত্রার বেলাতেও এটা সত্যি যে যতক্ষণ পর্যন্ত না দুটি বস্তুর তাপমাত্রা সমান হচ্ছে ততক্ষণ তাপ প্রবাহিত হতে থাকবে।

Figure: চিত্র ৬.০১: তাপমাত্রা তরলের উচ্চতার মতো, তাপ তরলের আয়তনের মতো।

বর্ণনা: দুটি পাত্র নিচের দিকে একটি নল ও কল দিয়ে যুক্ত। বাম দিকের সরু ও লম্বা পাত্রে পানির পৃষ্ঠদেশ উপরে, ডান দিকের চওড়া পাত্রে পানির পৃষ্ঠদেশ নিচে; মাঝখানে নলের মাথায় একটি কল দেখানো হয়েছে।

Printed page 163

৬.২ পদার্থের তাপমাত্রিক ধর্ম

(Thermometric Properties of Matter)

তাপমাত্রা পরিমাপের জন্য বিশেষ পদার্থের বিশেষ ধর্মকে কাজে লাগাতে হয়। তাপমাত্রা পরিবর্তন হলে পদার্থের যে ধর্মের পরিবর্তন হয় এবং যে পরিবর্তন সূক্ষ্মভাবে পরিমাপ করে তাপমাত্রা মাপা যায় সেটাই হচ্ছে তাপমাত্রিক ধর্ম। অর্থাৎ তাপমাত্রা মাপার জন্য পদার্থের যে ধর্মটি ব্যবহার করা হয় সেটি হচ্ছে তাপমাত্রিক ধর্ম। তোমরা জ্বর মাপার পারদের থার্মোমিটার দেখে থাকবে, সেটি শরীরের তাপমাত্রা মাপে। এখানে পারদ হচ্ছে তাপমাত্রিক পদার্থ এবং পারদের আয়তনের প্রসারণ হচ্ছে তার তাপমাত্রিক ধর্ম।

পারদ ছাড়াও অ্যালকোহলের থার্মোমিটার আছে। সেখানে অ্যালকোহল হচ্ছে তাপমাত্রিক পদার্থ এবং তরলের প্রসারণ হচ্ছে তাপমাত্রিক ধর্ম।

গ্যাস থার্মোমিটারে গ্যাস হচ্ছে তাপমাত্রিক পদার্থ এবং নির্দিষ্ট আয়তনে রক্ষিত গ্যাসের চাপ হচ্ছে তাপমাত্রিক ধর্ম। তাপমাত্রার সাথে ধাতুর রোধ বা রেজিস্ট্যান্সের পরিবর্তন হয়, তাই রোধকেও তাপমাত্রিক ধর্ম হিসেবে ব্যবহার করা যায়। একেকটি তাপমাত্রিক পদার্থ একেক তাপমাত্রার জন্য কার্যকর। তাই খুব বেশি বা কম তাপমাত্রা মাপার জন্য বিশেষ তাপমাত্রিক পদার্থের বিশেষ তাপমাত্রিক ধর্ম ব্যবহার করতে হয়। তামা এবং কনস্টান্টেন ধাতুকে তাপমাত্রিক পদার্থ হিসেবে ব্যবহার করা হয়। দুটি ভিন্ন ভিন্ন ধাতুর সংযোগস্থলে (থার্মোকাপল) তাপমাত্রার পরিবর্তন হলে এটি একটি ইএমএফ (emf: electromotive force) তৈরি করে, সেটি মেপে তাপমাত্রা বের করা যায়। এই থার্মোকাপল $-200^\circ\text{C}$ থেকে $1000^\circ\text{C}$ পর্যন্ত তাপমাত্রা মাপতে পারে বলে ইন্ডাস্ট্রিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

আমরা যদি তাপমাত্রার ধারণাটুকু ঠিক করে পেয়ে যাই, তাহলে এর পরেই আমাদের জানতে হবে এর একক কী কিংবা তার থেকেও গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্ন, আমরা কেমন করে তাপমাত্রা মাপব। তাপমাত্রার প্রচলিত এককটি হচ্ছে সেলসিয়াস ($^\circ\text{C}$)। সাধারণভাবে বলা যায়, এই স্কেলে $1$ atm বাতাসের চাপের যে তাপমাত্রায় বরফ গলে পানিতে পরিণত হয়, সেটাকে $0^\circ\text{C}$ এবং যে তাপমাত্রায় পানি ফুটতে থাকে সেটাকে $100^\circ\text{C}$ ধরা হয়েছে। তবে মজার ব্যাপার হলো বিজ্ঞানী সেলসিয়াস যখন তাপমাত্রার স্কেল তৈরি করেছিলেন, তখন শূন্য ডিগ্রি ধরেছিলেন ফুটন্ত পানির তাপমাত্রা, $100$ ডিগ্রি ধরেছিলেন বরফ গলনের তাপমাত্রা। বর্তমান স্কেলের ঠিক উল্টো।

আমাদের দৈনন্দিন জীবনে আমরা সাধারণত সেলসিয়াস স্কেল ব্যবহার করলেও আন্তর্জাতিক একটির নাম হচ্ছে কেলভিন ($\text{K}$)। সেলসিয়াস স্কেলের সাথে $273.15^\circ\text{C}$ যোগ করলেই কেলভিন স্কেল পাওয়া যায়। যদি শুধু তাপমাত্রার পার্থক্য নিয়ে মাথা ঘামাই তাহলে সেলসিয়াস স্কেল আর কেলভিন স্কেলে কোনো পার্থক্য নেই। অর্থাৎ তাপমাত্রা $10^\circ\text{C}$ বেড়েছে বলা যে কথা, তাপমাত্রা $10\ \text{K}$ বেড়েছে বলা সেই একই কথা।

Printed page 164

বেড়েছে বলা সেই একই কথা। কিন্তু যদি জিজ্ঞেস করা হয় এই ঘরের তাপমাত্রা কত, যদি সেটা হয় $30^\circ\text{C}$ তাহলে কেলভিন স্কেলে সেটা হবে $(30 + 273.15 =) 303.15\ \text{K}$। তোমাদের মনে হতে পারে দুটো স্কেল হুবহু একই রকম শুধু $273.15^\circ\text{C}$ পার্থক্য এর পেছনে কারণটি কী?

Figure: চিত্র৬.০২: সেলসিয়াস কেলভিন এবং ফারেনহাইট তাপমাত্রার স্কেল।

লেবেল: $100^\circ\text{C}$, $373.15\ \text{K}$, $212^\circ\text{F}$, $T_C$, $T_K$, $T_F$, $0^\circ\text{C}$, $273.15\ \text{K}$, $32^\circ\text{F}$ বর্ণনা: তিনটি থার্মোমিটার পাশাপাশি দাঁড় করানো। প্রতিটির নিচে কালো বাল্ব এবং ওপরে স্কেল। বাম দিকের থার্মোমিটারে সেলসিয়াস স্কেল ($0^\circ\text{C}$ নিচে, $100^\circ\text{C}$ ওপরে), মাঝখানে কেলভিন স্কেল ($273.15\ \text{K}$ নিচে, $373.15\ \text{K}$ ওপরে) এবং ডান দিকে ফারেনহাইট স্কেল ($32^\circ\text{F}$ নিচে, $212^\circ\text{F}$ ওপরে)। তিনটি স্কেলেই একই উচ্চতায় $T_C$, $T_K$ ও $T_F$ চিহ্নিত একটি অনুভূমিক রেখা রয়েছে।

এটি করার পেছনের কারণটি খুবই চমকপ্রদ। সাধারণভাবে হয়তো মনে হতে পারে আমরা বুঝি যত বেশি বা যত কম তাপমাত্রা কল্পনা করতে পারব, আসলে সেটি সত্যি নয়। তাপমাত্রা যত ইচ্ছে বেশি কল্পনা করতে সমস্যা নেই কিন্তু যত ইচ্ছে কম কল্পনা করা সম্ভব নয়। সবচেয়ে কম একটা তাপমাত্রা আছে এবং তাপমাত্রা এর থেকে কম হওয়া যায় না। শুধু তাই নয়, আমরা এই তাপমাত্রার কাছাকাছি যেতে পারি কিন্তু কখনোই এই তাপমাত্রায় পৌঁছাতে পারব না। এই তাপমাত্রাকে পরম শূন্য বা Absolute Zero বলা হয়। সেলসিয়াস স্কেলে এই তাপমাত্রার মান $-273.15^\circ\text{C}$ কাজেই কেলভিন স্কেলে এর মান হচ্ছে শূন্য কেলভিন। অন্যভাবে বলা যায় কেলভিন স্কেলটি তৈরি হয়েছে পরম শূন্য তাপমাত্রাকে শূন্য কেলভিন ধরে।

তাপমাত্রার যেকোনো স্কেল তৈরি করতে হলে দুটো নির্দিষ্ট তাপমাত্রা (বা স্থিরাঙ্ক) দরকার। কেলভিন স্কেলে একটি হচ্ছে পরম শূন্য। যেটাকে শূন্য ডিগ্রি ধরা হয়েছে। অন্যটি হচ্ছে পানির ত্রৈধ বিন্দু বা Triple Point এই তাপমাত্রায় একটা নির্দিষ্ট চাপে $(0.0060373\ \text{atm})$ বরফ, পানি এবং জলীয় বাষ্প এক সাথে থাকতে পারে বলে তাপমাত্রাকে অনেক বেশি সূক্ষ্মভাবে নির্দিষ্ট করা যায়। সেলসিয়াস স্কেলে এর মান $0.01^\circ\text{C}$ এবং এই স্কেলের সাথে মিল রাখার জন্য কেলভিন স্কেলে এর মান $273.16\ \text{K}$।

কেলভিন এবং সেলসিয়াস স্কেলের পাশাপাশি ফারেনহাইট স্কেল বলেও একটা স্কেল আছে। যেখানে বরফ গলন এবং পানির বাষ্পীভবনের তাপমাত্রা যথাক্রমে $32^\circ\text{F}$ ও $212^\circ\text{F}$। চিত্র $6.02$ এ তিনটি স্কেলকে তুলনা করার জন্য দেখানো হলো। কেলভিন স্কেলে $0^\circ\text{C}$ তাপমাত্রা $273.15\ \text{K}$ হলেও আমরা আমাদের দৈনন্দিন জীবনে অনেক সময়েই এটাকে $273\ \text{K}$ ধরে নিই। দৈনন্দিন হিসাবে সেটা কোনো গুরুতর সমস্যা করে না।

Printed page 165