Absolute zero and the Kelvin scale
পরম শূন্য তাপমাত্রা ও কেলভিন স্কেল
পরম শূন্য হলো তাত্ত্বিকভাবে সম্ভব সবচেয়ে নিচু তাপমাত্রা, যেখানে অণুর তাপীয় গতি সর্বনিম্নে পৌঁছায়। সেলসিয়াস স্কেলে এই বিন্দুটি ঋণাত্মক এবং দুইশত তিয়াত্তরের কাছাকাছি, আর কেলভিন স্কেলে এটিই শূন্য — এজন্যই কেলভিনকে বলা হয় পরম স্কেল এবং এতে ঋণাত্মক তাপমাত্রা হয় না। ধারণাটি এসেছে গ্যাসের আচরণ থেকে: চাপ স্থির রেখে আদর্শ গ্যাসের আয়তন তাপমাত্রার সঙ্গে সরলরেখায় কমে, আর সেই রেখাকে পিছনে বাড়ালে যে তাপমাত্রায় আয়তন শূন্য হতো সেটিই পরম শূন্য। বাস্তবে কোনো গ্যাসই সেখানে পৌঁছানোর আগে তরল হয়ে যায়, আর পরম শূন্যে পৌঁছানো সম্ভবও নয় — কেবল কাছাকাছি যাওয়া যায়। অতি নিম্ন তাপমাত্রায় পদার্থ অদ্ভুত আচরণ করে; হিলিয়াম কয়েক কেলভিনে সুপারফ্লুইডে পরিণত হয়।
পরম শূন্য তাত্ত্বিকভাবে সম্ভব সর্বনিম্ন তাপমাত্রা
সেলসিয়াসে পরম শূন্য ঋণাত্মক, প্রায় ২৭৩ ডিগ্রির কাছাকাছি
কেলভিন স্কেলে পরম শূন্য শূন্য কেলভিন
ধারণাটি এসেছে আদর্শ গ্যাসের আয়তন-তাপমাত্রা রেখা পিছনে বাড়িয়ে
বাস্তবে পরম শূন্যে পৌঁছানো সম্ভব নয়, কেবল কাছাকাছি যাওয়া যায়
তরল নাইট্রোজেন অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রা তৈরিতে ব্যবহৃত হয়
হিলিয়াম অতি নিম্ন তাপমাত্রায় সুপারফ্লুইডে পরিণত হয়
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
পরম শূন্য 'ঋণাত্মক কত' জিজ্ঞাসা করলে উত্তর সেলসিয়াসে; কেলভিনে চাইলে উত্তর শূন্য।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·পরম শূন্যকে বাস্তবে অর্জনযোগ্য ধরা
- ·কেলভিনে পরম শূন্যকে ঋণাত্মক ধরা
- ·পরম শূন্যে অণুর গতি সম্পূর্ণ থেমে যায় বলে নিরঙ্কুশভাবে দাবি করা
Specific heat, heat capacity and latent heat
আপেক্ষিক তাপ, তাপ ধারণক্ষমতা ও সুপ্ততাপ
আপেক্ষিক তাপ হলো একক ভরের কোনো পদার্থের তাপমাত্রা এক একক বাড়াতে প্রয়োজনীয় তাপ, আর এটি পদার্থের নিজস্ব ধর্ম। পানির আপেক্ষিক তাপ প্রচলিত পদার্থগুলোর মধ্যে অস্বাভাবিক রকম বেশি, আর এই একটি বৈশিষ্ট্যই অনেক ঘটনা ব্যাখ্যা করে — জলবায়ু নিয়ন্ত্রণ, শীতলীকরণে পানির ব্যবহার, উপকূলের মৃদু আবহাওয়া। তাপ ধারণক্ষমতা আলাদা রাশি: এটি গোটা বস্তুর তাপমাত্রা এক একক বাড়াতে প্রয়োজনীয় তাপ, তাই ভরের উপর নির্ভরশীল। সুপ্ততাপ হলো সেই তাপ, যা অবস্থার পরিবর্তনে খরচ হয় অথচ তাপমাত্রা বাড়ায় না — বরফ গলার সময় বা পানি ফুটে বাষ্প হওয়ার সময় তাপমাত্রা স্থির থাকে, কারণ পুরো তাপটাই অণুর বন্ধন ভাঙতে ব্যয় হয়। প্রচলিত শ্রেণিবিভাগে সুপ্ততাপ দুই ধরনের: গলনের সুপ্ততাপ ও বাষ্পীভবনের সুপ্ততাপ।
আপেক্ষিক তাপ পদার্থের ধর্ম; ভরের উপর নির্ভর করে না
তাপ ধারণক্ষমতা গোটা বস্তুর ধর্ম; ভরের উপর নির্ভর করে
পানির আপেক্ষিক তাপ অস্বাভাবিক রকম বেশি
পানির উচ্চ আপেক্ষিক তাপ জলবায়ু নিয়ন্ত্রণ ও শীতলীকরণে কাজে লাগে
সুপ্ততাপ অবস্থার পরিবর্তনে ব্যয় হয়, তাপমাত্রা বাড়ায় না
অবস্থার পরিবর্তনের সময় তাপমাত্রা স্থির থাকে
সুপ্ততাপ দুই ধরনের: গলনের ও বাষ্পীভবনের
একই পদার্থের বাষ্পীভবনের সুপ্ততাপ গলনের সুপ্ততাপের চেয়ে বেশি
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
লেখচিত্রের সমতল অংশে তাপ ঢুকছে অথচ তাপমাত্রা বাড়ছে না — সেটাই সুপ্ততাপ।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·আপেক্ষিক তাপ ও তাপ ধারণক্ষমতাকে একই ধরা
- ·অবস্থার পরিবর্তনের সময় তাপমাত্রা বাড়ে ধরা
- ·সুপ্ততাপের শ্রেণিবিভাগে গলন ও বাষ্পীভবনের বাইরে তৃতীয় ধরন ধরা
Entropy and disorder
এনট্রপি ও বিশৃঙ্খলা
এনট্রপি একটি তাপগতীয় রাশি, যা কোনো সিস্টেমের বিশৃঙ্খলার পরিমাপ হিসেবে ব্যাখ্যা করা হয় — বিশৃঙ্খলা যত বেশি, এনট্রপি তত বেশি। দ্বিতীয় সূত্রের আরেকটি রূপ এনট্রপির ভাষায় লেখা: কোনো বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়ায় মোট এনট্রপি কখনো কমে না, হয় বাড়ে নয়তো অপরিবর্তিত থাকে; অপরিবর্তিত থাকে কেবল আদর্শ প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায়। এজন্যই সময়ের একটি দিক আছে — বরফ নিজে থেকে গলে যায়, কিন্তু এক গ্লাস পানি নিজে থেকে বরফ হয়ে যায় না, যদিও শক্তির হিসাব দুই দিকেই মেলে। অবস্থার পরিবর্তনে এনট্রপি বাড়ে, কারণ কঠিন থেকে তরল আর তরল থেকে গ্যাসে গেলে অণুর বিন্যাসের স্বাধীনতা বাড়ে।
এনট্রপি বিশৃঙ্খলার পরিমাপ
বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়ায় মোট এনট্রপি কমে না
এনট্রপি অপরিবর্তিত থাকে কেবল প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায়
অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় মোট এনট্রপি বাড়ে
কঠিন < তরল < গ্যাস — এই ক্রমে এনট্রপি বাড়ে
এনট্রপি একটি অবস্থা ফাংশন
এনট্রপির ধারণা প্রক্রিয়ার দিক ব্যাখ্যা করে
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
এনট্রপি কমতে পারে একটি অংশে, কিন্তু গোটা বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে কখনো নয় — প্রশ্নে 'সিস্টেম' না 'বিশ্ব' পড়ে নাও।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·এনট্রপি সবসময় বাড়ে বলা — প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় অপরিবর্তিত থাকে
- ·গ্যাসের এনট্রপি কঠিনের চেয়ে কম ধরা
- ·এনট্রপিকে শক্তির একক দেওয়া রাশি ধরা
First law of thermodynamics and internal energy
তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র ও অভ্যন্তরীণ শক্তি
তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র আসলে শক্তির নিত্যতার সূত্রেরই একটি রূপ, তাপীয় প্রক্রিয়ার ভাষায় লেখা। এটি বলে, কোনো সিস্টেমকে দেওয়া তাপের একটি অংশ তার অভ্যন্তরীণ শক্তি বাড়ায় এবং বাকি অংশ দিয়ে সিস্টেম বাইরের উপর কাজ করে। অভ্যন্তরীণ শক্তি হলো সিস্টেমের অণুগুলোর মোট গতিশক্তি ও স্থিতিশক্তির যোগফল, আর আদর্শ গ্যাসের ক্ষেত্রে এর একটি সরল বৈশিষ্ট্য আছে — এটি কেবল তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, আয়তন বা চাপের উপর নয়। এই কারণেই সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় আদর্শ গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি অপরিবর্তিত থাকে। অভ্যন্তরীণ শক্তি একটি অবস্থা ফাংশন, অর্থাৎ এর মান নির্ভর করে সিস্টেম কোন অবস্থায় আছে তার উপর, কোন পথে সেখানে পৌঁছেছে তার উপর নয়; কিন্তু তাপ ও কাজ পথের উপর নির্ভর করে।
প্রথম সূত্র শক্তির নিত্যতার সূত্রেরই তাপীয় রূপ
দেওয়া তাপ = অভ্যন্তরীণ শক্তির বৃদ্ধি + সিস্টেম কর্তৃক কৃত কাজ
অভ্যন্তরীণ শক্তি অণুগুলোর মোট গতিশক্তি ও স্থিতিশক্তির যোগফল
আদর্শ গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি কেবল তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে
অভ্যন্তরীণ শক্তি একটি অবস্থা ফাংশন — পথের উপর নির্ভর করে না
তাপ ও কাজ পথের উপর নির্ভর করে, তাই এগুলো অবস্থা ফাংশন নয়
প্রথম সূত্র কোন দিকে প্রক্রিয়া ঘটবে তা বলে না; সেটি দ্বিতীয় সূত্রের কাজ
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
আদর্শ গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি কেবল তাপমাত্রার ফাংশন — তাপমাত্রা না বদলালে অভ্যন্তরীণ শক্তিও বদলায় না।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·অভ্যন্তরীণ শক্তিকে আয়তন বা চাপের উপর নির্ভরশীল ধরা
- ·তাপ ও কাজকে অবস্থা ফাংশন ধরা
- ·প্রথম সূত্র থেকে প্রক্রিয়ার দিক নির্ধারণ করা
Conduction, convection and radiation
পরিবহন, পরিচলন ও বিকিরণ
তাপ তিনভাবে সঞ্চালিত হয়, আর তিনটির শর্ত আলাদা। পরিবহনে তাপ অণু থেকে অণুতে যায় কিন্তু অণুগুলো নিজেরা স্থান বদলায় না — এটি প্রধানত কঠিন পদার্থে ঘটে, আর ধাতুতে সবচেয়ে দ্রুত, কারণ মুক্ত ইলেকট্রন তাপ বয়ে নেয়। পরিচলনে উত্তপ্ত অংশ হালকা হয়ে উপরে উঠে যায় এবং ঠান্ডা অংশ নিচে নামে, অর্থাৎ পদার্থ নিজেই সরে যায় — তাই এটি কেবল তরল ও গ্যাসে সম্ভব, কঠিনে নয়। বিকিরণে তাপ তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গ আকারে যায়, তাই এর কোনো মাধ্যম লাগে না — সূর্যের তাপ শূন্য মহাশূন্য পেরিয়ে এভাবেই পৃথিবীতে আসে। বিকিরণের হার বস্তুর পরম তাপমাত্রার চতুর্থ ঘাতের সমানুপাতিক, তাই তাপমাত্রা সামান্য বাড়লেই বিকিরণ অনেক বেড়ে যায়। কালো ও খসখসে পৃষ্ঠ ভালো বিকিরক এবং ভালো শোষক; চকচকে পৃষ্ঠ ভালো প্রতিফলক।
পরিবহনে অণু স্থান বদলায় না; প্রধানত কঠিনে ঘটে
ধাতু ভালো তাপ পরিবাহী, কারণ মুক্ত ইলেকট্রন তাপ বহন করে
পরিচলনে পদার্থ নিজেই সরে যায়; কেবল তরল ও গ্যাসে সম্ভব
কঠিন পদার্থে পরিচলন হয় না
বিকিরণে মাধ্যম লাগে না; তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গ আকারে যায়
সূর্যের তাপ পৃথিবীতে আসে বিকিরণের মাধ্যমে
বিকিরণের হার পরম তাপমাত্রার চতুর্থ ঘাতের সমানুপাতিক
কালো ও খসখসে পৃষ্ঠ ভালো বিকিরক ও ভালো শোষক
গ্রিনহাউস প্রভাবে বায়ুমণ্ডল বিকীর্ণ তাপ আটকে রেখে পৃথিবীকে উষ্ণ রাখে
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
বিকিরণে মাধ্যম লাগে না — এটাই তিনটির মধ্যে সবচেয়ে নির্ভরযোগ্য পার্থক্য।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·কঠিন পদার্থেও পরিচলন হয় ধরা
- ·বিকিরণে মাধ্যম লাগে ধরা
- ·বিকিরণের হারকে তাপমাত্রার সমানুপাতিক ধরা — চতুর্থ ঘাতের সমানুপাতিক
Humidity, dew point and evaporation
আর্দ্রতা, শিশিরাঙ্ক ও বাষ্পায়ন
বাতাসে জলীয় বাষ্পের উপস্থিতিই আর্দ্রতা, আর আপেক্ষিক আর্দ্রতা হলো বাতাসে প্রকৃতপক্ষে যত জলীয় বাষ্প আছে এবং ওই তাপমাত্রায় সর্বোচ্চ যত থাকতে পারত, এই দুইয়ের অনুপাত — শতকরায় প্রকাশ করা হয়। শিশিরাঙ্ক হলো সেই তাপমাত্রা, যেখানে বাতাসকে ঠান্ডা করলে তার জলীয় বাষ্প সম্পৃক্ত হয়ে যায় এবং শিশির পড়তে শুরু করে; তাই শিশিরাঙ্কে আপেক্ষিক আর্দ্রতা একশো শতাংশ। বাষ্পায়ন হলো তরলের উপরিতল থেকে যেকোনো তাপমাত্রায় ধীরে ধীরে বাষ্পে পরিণত হওয়া — এটি স্ফুটন নয়, কারণ স্ফুটন ঘটে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় এবং তরলের সর্বত্র। বাষ্পায়নের হার বাড়ে তাপমাত্রা বাড়লে, উপরিতলের ক্ষেত্রফল বাড়লে এবং বাতাসের প্রবাহ বাড়লে; আর কমে আর্দ্রতা বাড়লে। তরলের গভীরতার সঙ্গে বাষ্পায়নের হারের সম্পর্ক নেই, কারণ ঘটনাটি কেবল উপরিতলে ঘটে।
আপেক্ষিক আর্দ্রতা = প্রকৃত জলীয় বাষ্প ÷ সম্পৃক্ত অবস্থার জলীয় বাষ্প, শতকরায়
শিশিরাঙ্কে আপেক্ষিক আর্দ্রতা একশো শতাংশ
বাষ্পায়ন যেকোনো তাপমাত্রায় কেবল উপরিতল থেকে ঘটে
স্ফুটন একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় তরলের সর্বত্র ঘটে
বাষ্পায়নের হার বাড়ে তাপমাত্রা, উপরিতলের ক্ষেত্রফল ও বায়ুপ্রবাহ বাড়লে
বাষ্পায়নের হার কমে বাতাসের আর্দ্রতা বাড়লে
বাষ্পায়ন তরলের গভীরতার উপর নির্ভর করে না
বাষ্পায়ন একটি শীতলীকরণ প্রক্রিয়া — এটি পড়ে থাকা তরলকে ঠান্ডা করে
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
'বাষ্পায়ন কীসের উপর নির্ভর করে না' — উত্তর তরলের গভীরতা, কারণ ঘটনাটি কেবল উপরিতলের।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·বাষ্পায়নকে তরলের গভীরতার উপর নির্ভরশীল ধরা
- ·বাষ্পায়ন ও স্ফুটনকে একই ধরা
- ·শিশিরাঙ্কে আপেক্ষিক আর্দ্রতা একশোর কম ধরা
Ideal gas equation and the gas laws
আদর্শ গ্যাস সমীকরণ ও গ্যাস সূত্র
তিনটি সরল গ্যাস সূত্র মিলে আদর্শ গ্যাস সমীকরণ তৈরি হয়। বয়েলের সূত্র বলে স্থির তাপমাত্রায় নির্দিষ্ট ভরের গ্যাসের আয়তন চাপের ব্যস্তানুপাতিক, অর্থাৎ চাপ ও আয়তনের গুণফল স্থির। চার্লসের সূত্র বলে স্থির চাপে আয়তন পরম তাপমাত্রার সমানুপাতিক — এখানে 'পরম' শব্দটি জরুরি, কারণ সেলসিয়াস বসালে হিসাব ভুল হবে। অ্যাভোগাড্রোর সূত্র বলে একই তাপমাত্রা ও চাপে সমআয়তন গ্যাসে সমান সংখ্যক অণু থাকে। এই তিনটি একত্র করলে পাওয়া যায় আদর্শ গ্যাস সমীকরণ, যেখানে সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক ব্যবহৃত হয়। মনে রাখা দরকার আদর্শ গ্যাস একটি মডেল — ধরে নেওয়া হয় অণুগুলোর নিজস্ব আয়তন নগণ্য এবং তাদের মধ্যে কোনো আন্তঃআণবিক আকর্ষণ নেই; উচ্চ চাপ ও নিম্ন তাপমাত্রায় প্রকৃত গ্যাস এই আচরণ থেকে সরে যায়।
বয়েলের সূত্র: স্থির তাপমাত্রায় চাপ ও আয়তনের গুণফল স্থির
চার্লসের সূত্র: স্থির চাপে আয়তন পরম তাপমাত্রার সমানুপাতিক
চার্লসের সূত্রে তাপমাত্রা অবশ্যই কেলভিনে বসাতে হয়
অ্যাভোগাড্রোর সূত্র: একই তাপমাত্রা ও চাপে সমআয়তনে সমান সংখ্যক অণু
আদর্শ গ্যাস সমীকরণে সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক ব্যবহৃত হয়
আদর্শ গ্যাসে অণুর নিজস্ব আয়তন নগণ্য ধরা হয়
আদর্শ গ্যাসে আন্তঃআণবিক আকর্ষণ শূন্য ধরা হয়
উচ্চ চাপ ও নিম্ন তাপমাত্রায় প্রকৃত গ্যাস আদর্শ আচরণ থেকে সরে যায়
গ্রাহামের ব্যাপন সূত্র: গ্যাসের ব্যাপন হার তার ঘনত্বের বর্গমূলের ব্যস্তানুপাতিক
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
গ্যাসের অঙ্কে তাপমাত্রা কেলভিনে বদলে নাও আগে — সেলসিয়াস বসিয়ে ফেলাই সবচেয়ে সাধারণ ভুল।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·চার্লসের সূত্রে সেলসিয়াস তাপমাত্রা বসানো
- ·বয়েলের সূত্রকে সমানুপাতিক ধরা — সম্পর্কটি ব্যস্তানুপাতিক
- ·প্রকৃত গ্যাস সব অবস্থাতেই আদর্শ আচরণ করে ধরা
Isothermal and adiabatic processes
সমোষ্ণ ও রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়া
তাপগতীয় প্রক্রিয়ার মধ্যে দুটি সবচেয়ে বেশি জিজ্ঞাসিত। সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় তাপমাত্রা স্থির থাকে; আদর্শ গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি কেবল তাপমাত্রার উপর নির্ভরশীল বলে এখানে অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন শূন্য, ফলে দেওয়া পুরো তাপটাই কাজে রূপান্তরিত হয়। এই প্রক্রিয়া ধীরে ঘটতে হয় এবং পাত্রের দেয়াল তাপ পরিবাহী হতে হয়, যাতে তাপ বিনিময়ের সময় থাকে। রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়ায় ঠিক উল্টো — সিস্টেম ও পরিবেশের মধ্যে কোনো তাপ বিনিময় হয় না, তাই এটি দ্রুত ঘটতে হয় বা পাত্র তাপ অপরিবাহী হতে হয়। এখানে তাপ শূন্য, তাই সিস্টেম যে কাজ করে তা সরাসরি অভ্যন্তরীণ শক্তি থেকেই আসে — ফলে রুদ্ধতাপ প্রসারণে গ্যাস ঠান্ডা হয়ে যায় এবং রুদ্ধতাপ সংকোচনে গরম হয়ে ওঠে।
সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় তাপমাত্রা স্থির; আদর্শ গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন শূন্য
সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় দেওয়া পুরো তাপ কাজে রূপান্তরিত হয়
সমোষ্ণ প্রক্রিয়া ধীরে ঘটে; পাত্র তাপ পরিবাহী হতে হয়
রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়ায় তাপ বিনিময় শূন্য
রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়া দ্রুত ঘটে; পাত্র তাপ অপরিবাহী হতে হয়
রুদ্ধতাপ প্রসারণে গ্যাস ঠান্ডা হয়, সংকোচনে গরম হয়
সমআয়তন প্রক্রিয়ায় কাজ শূন্য; সমচাপ প্রক্রিয়ায় চাপ স্থির
চাপ-আয়তন লেখচিত্রে রুদ্ধতাপ রেখা সমোষ্ণ রেখার চেয়ে বেশি খাড়া
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
রুদ্ধতাপে তাপ শূন্য, সমোষ্ণে অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন শূন্য — কোনটিতে কোনটি শূন্য, সেটাই পুরো পার্থক্য।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·রুদ্ধতাপ প্রক্রিয়ায় তাপমাত্রা স্থির থাকে ধরা — স্থির থাকে সমোষ্ণে
- ·সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় তাপ বিনিময় হয় না ধরা — বিনিময় হয়, বরং তাপ ছাড়া তাপমাত্রা স্থির রাখা যায় না
- ·রুদ্ধতাপ প্রসারণে গ্যাস গরম হয় ধরা — ঠান্ডা হয়
Kinetic theory and molecular speeds
গ্যাসের গতিতত্ত্ব ও অণুর বেগ
গতিতত্ত্ব গ্যাসের চাপ ও তাপমাত্রাকে অণুর গতির ভাষায় ব্যাখ্যা করে। মূল ধারণা হলো, পাত্রের দেয়ালে অণুর অবিরাম সংঘর্ষই চাপ সৃষ্টি করে, আর গ্যাসের পরম তাপমাত্রা অণুর গড় গতিশক্তির সমানুপাতিক। এই দ্বিতীয় সম্পর্কটি বেশ কিছু প্রশ্নের চাবি: তাপমাত্রা বাড়ালে অণুর গড় গতিশক্তি বাড়ে, তাই গড় বেগও বাড়ে। একই তাপমাত্রায় ভিন্ন গ্যাসের অণুর গড় গতিশক্তি সমান, কিন্তু বেগ সমান নয় — হালকা অণু দ্রুত চলে, কারণ একই গতিশক্তি পেতে কম ভরের অণুকে বেশি বেগে চলতে হয়। শক্তির সমবিভাজন নীতি বলে, তাপীয় সাম্যাবস্থায় প্রতিটি স্বাধীনতার মাত্রায় সমান পরিমাণ শক্তি ভাগ হয়ে যায়।
পাত্রের দেয়ালে অণুর সংঘর্ষই গ্যাসের চাপ সৃষ্টি করে
পরম তাপমাত্রা অণুর গড় গতিশক্তির সমানুপাতিক
একই তাপমাত্রায় সব গ্যাসের অণুর গড় গতিশক্তি সমান
একই তাপমাত্রায় হালকা অণুর গড় বেগ বেশি
অণুর বর্গমূলীয় গড় বেগ পরম তাপমাত্রার বর্গমূলের সমানুপাতিক
বেগ আণবিক ভরের বর্গমূলের ব্যস্তানুপাতিক
শক্তির সমবিভাজন নীতিতে প্রতিটি স্বাধীনতার মাত্রায় সমান শক্তি বণ্টিত হয়
গতিতত্ত্বে অণুর সংঘর্ষ সম্পূর্ণ স্থিতিস্থাপক ধরা হয়
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
একই তাপমাত্রায় গতিশক্তি সমান, বেগ নয় — প্রশ্নে কোনটি জিজ্ঞাসা করা হয়েছে সেটাই আসল।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·একই তাপমাত্রায় সব গ্যাসের অণুর বেগ সমান ধরা
- ·বেগকে তাপমাত্রার সমানুপাতিক ধরা — বর্গমূলের সমানুপাতিক
- ·ভারী অণু দ্রুত চলে ধরা
Reversible and irreversible processes
প্রত্যাবর্তী ও অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া হলো এমন একটি আদর্শ প্রক্রিয়া, যা প্রতিটি ধাপে সাম্যাবস্থার এত কাছাকাছি থেকে ঘটে যে শর্তগুলো সামান্য উল্টে দিলে প্রক্রিয়াটি ঠিক আগের পথ ধরে ফিরে আসে এবং সিস্টেম ও পরিবেশ দুটোই আগের অবস্থায় ফিরে যায়। এর জন্য প্রক্রিয়াটিকে অসীম ধীরে ঘটতে হবে এবং ঘর্ষণ বা অন্য কোনো অপচয় থাকা চলবে না — এই শর্তগুলো বাস্তবে পুরোপুরি পূরণ করা যায় না, তাই প্রকৃতির সব প্রকৃত প্রক্রিয়াই অপ্রত্যাবর্তী। প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া তবু গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এটি একটি তাত্ত্বিক সীমা ঠিক করে দেয়: একই দুই তাপমাত্রার মধ্যে কাজ করা কোনো ইঞ্জিনের দক্ষতা প্রত্যাবর্তী ইঞ্জিনের দক্ষতার চেয়ে বেশি হতে পারে না।
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া প্রতিটি ধাপে সাম্যাবস্থার কাছাকাছি থাকে
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় সিস্টেম ও পরিবেশ দুটোই আগের অবস্থায় ফিরতে পারে
শর্ত: অসীম ধীর গতি এবং ঘর্ষণ বা অপচয়হীনতা
বাস্তবের সব প্রকৃত প্রক্রিয়া অপ্রত্যাবর্তী
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া একটি তাত্ত্বিক আদর্শ, বাস্তব ঘটনা নয়
একই দুই তাপমাত্রায় প্রত্যাবর্তী ইঞ্জিনের দক্ষতা সর্বাধিক
ঘর্ষণ, তাপ পরিবহন ও বিস্তার — সবই অপ্রত্যাবর্তীতার উৎস
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া বাস্তবে ঘটে না — 'বাস্তব উদাহরণ কোনটি' জাতীয় প্রশ্নে এটাই ফাঁদ।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ার বাস্তব উদাহরণ আছে ধরা
- ·প্রত্যাবর্তীতার জন্য কেবল সিস্টেম ফিরলেই যথেষ্ট ধরা — পরিবেশকেও ফিরতে হয়
- ·দ্রুত ঘটা প্রক্রিয়াকে প্রত্যাবর্তী ধরা
Second law, Carnot cycle and engine efficiency
দ্বিতীয় সূত্র, কার্নো চক্র ও ইঞ্জিনের দক্ষতা
প্রথম সূত্র বলে শক্তি ধ্বংস হয় না, কিন্তু তা বলে না কোন দিকে প্রক্রিয়া ঘটবে — সেই কাজটি করে দ্বিতীয় সূত্র। এর একটি প্রচলিত রূপ বলে, কোনো ইঞ্জিন গ্রহণ করা পুরো তাপকে সম্পূর্ণরূপে কাজে রূপান্তর করতে পারে না; কিছু তাপ অবশ্যই নিম্ন তাপমাত্রার আধারে ছেড়ে দিতে হয়। তাই একশো শতাংশ দক্ষতার তাপ ইঞ্জিন অসম্ভব, আর এটি নির্মাণগত সীমাবদ্ধতা নয়, প্রকৃতির নিয়ম। কার্নো চক্র হলো সবচেয়ে দক্ষ তাত্ত্বিক চক্র, যা দুটি সমোষ্ণ ও দুটি রুদ্ধতাপ ধাপ নিয়ে গঠিত। কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা কেবল দুই আধারের তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, কার্যকরী পদার্থের উপর নয় — এবং দক্ষতা বাড়াতে হলে উৎসের তাপমাত্রা বাড়াতে হবে বা সিঙ্কের তাপমাত্রা কমাতে হবে। রেফ্রিজারেটর একই চক্র উল্টো দিকে চালায়।
দ্বিতীয় সূত্র প্রক্রিয়ার দিক নির্ধারণ করে
কোনো ইঞ্জিন গৃহীত পুরো তাপকে কাজে রূপান্তর করতে পারে না
একশো শতাংশ দক্ষতার তাপ ইঞ্জিন অসম্ভব
কার্নো চক্রে দুটি সমোষ্ণ ও দুটি রুদ্ধতাপ ধাপ থাকে
কার্নো দক্ষতা কেবল দুই আধারের তাপমাত্রার উপর নির্ভরশীল
কার্নো দক্ষতা কার্যকরী পদার্থের উপর নির্ভর করে না
দক্ষতা বাড়ে উৎসের তাপমাত্রা বাড়ালে বা সিঙ্কের তাপমাত্রা কমালে
রেফ্রিজারেটর তাপ ইঞ্জিনের উল্টো চক্রে চলে
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
কার্নো দক্ষতা কার্যকরী পদার্থ-নিরপেক্ষ — 'কোন গ্যাস ব্যবহার করলে দক্ষতা বেশি' প্রশ্নের উত্তর 'কোনো পার্থক্য হয় না'।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·একশো শতাংশ দক্ষতা প্রযুক্তিগত সীমাবদ্ধতা ধরা — এটি প্রকৃতির নিয়ম
- ·কার্নো দক্ষতাকে কার্যকরী পদার্থের উপর নির্ভরশীল ধরা
- ·দক্ষতা বাড়াতে সিঙ্কের তাপমাত্রা বাড়ানোর কথা বলা — কমাতে হবে
Temperature scales and conversion between them
তাপমাত্রার স্কেল ও রূপান্তর
তাপমাত্রা মাপার তিনটি স্কেল প্রশ্নে ঘুরেফিরে আসে — সেলসিয়াস, ফারেনহাইট ও কেলভিন। সেলসিয়াস স্কেলে বরফের গলনাঙ্ক শূন্য ও পানির স্ফুটনাঙ্ক একশো, অর্থাৎ দুই স্থিরাঙ্কের মধ্যে একশোটি ভাগ। ফারেনহাইট স্কেলে একই দুটি বিন্দু বত্রিশ ও দুইশত বারো, অর্থাৎ একশো আশিটি ভাগ। তাই এক ডিগ্রি সেলসিয়াসের পরিবর্তন এক ডিগ্রি ফারেনহাইটের চেয়ে বড়, আর এই অনুপাতটিই রূপান্তর সূত্রের ভিত্তি। কেলভিন স্কেলের ভাগগুলো সেলসিয়াসের সমান, কেবল শূন্যবিন্দু সরানো — কেলভিনের শূন্য হলো পরম শূন্য তাপমাত্রা। একটি বহুল-জিজ্ঞাসিত বিষয় হলো সেই তাপমাত্রা যেখানে সেলসিয়াস ও ফারেনহাইট একই সংখ্যা দেখায়; সংখ্যাটি ঋণাত্মক এবং চল্লিশের কাছাকাছি।
সেলসিয়াসে বরফের গলনাঙ্ক ০, পানির স্ফুটনাঙ্ক ১০০
ফারেনহাইটে একই দুই বিন্দু ৩২ ও ২১২
সেলসিয়াসের ১০০ ভাগের বিপরীতে ফারেনহাইটে ১৮০ ভাগ
কেলভিন স্কেলের ভাগ সেলসিয়াসের সমান; কেবল শূন্যবিন্দু আলাদা
কেলভিন স্কেলে ঋণাত্মক মান হয় না
সেলসিয়াস ও ফারেনহাইট একই সংখ্যা দেখায় একটি ঋণাত্মক তাপমাত্রায়, যা চল্লিশের কাছাকাছি
তাপমাত্রার পার্থক্য প্রকাশে কেলভিন ও সেলসিয়াস একই মান দেয়
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
তাপমাত্রার পার্থক্য জিজ্ঞাসা করলে কেলভিন ও সেলসিয়াস একই উত্তর দেয় — রূপান্তরের দরকার নেই।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·তাপমাত্রার মান ও তাপমাত্রার পার্থক্যের রূপান্তর একই ভাবে করা
- ·কেলভিন স্কেলে ঋণাত্মক মান সম্ভব ধরা
- ·সেলসিয়াস-ফারেনহাইট সমান হওয়ার বিন্দুকে ধনাত্মক ধরা
Heat, temperature and thermal equilibrium
তাপ, তাপমাত্রা ও তাপীয় সাম্যাবস্থা
তাপ ও তাপমাত্রা এক জিনিস নয়, আর এই পার্থক্যটাই অনেক প্রশ্নের ভিত্তি। তাপ হলো শক্তি, যা তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে এক বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে স্থানান্তরিত হয়; তাপমাত্রা হলো সেই তাপীয় অবস্থা, যা ঠিক করে দেয় তাপ কোন দিকে যাবে। তাপ সর্বদা বেশি তাপমাত্রা থেকে কম তাপমাত্রার দিকে যায় — বস্তুর ভর বা তাপের পরিমাণ যাই হোক না কেন। তাই এক বালতি হালকা গরম পানিতে এক কাপ ফুটন্ত পানির চেয়ে বেশি তাপ থাকতে পারে, অথচ তাপ যাবে কাপ থেকে বালতির দিকেই। দুটি বস্তু স্পর্শে রাখলে যতক্ষণ তাপমাত্রার পার্থক্য থাকে ততক্ষণ তাপ চলাচল করে, আর তাপমাত্রা সমান হয়ে গেলে নিট স্থানান্তর থেমে যায় — একেই বলে তাপীয় সাম্যাবস্থা।
তাপ একটি শক্তি; তাপমাত্রা তাপীয় অবস্থার পরিমাপ
তাপ সর্বদা উচ্চ তাপমাত্রা থেকে নিম্ন তাপমাত্রার দিকে যায়
বেশি তাপ থাকা মানে বেশি তাপমাত্রা নয়
তাপীয় সাম্যাবস্থায় দুই বস্তুর তাপমাত্রা সমান, নিট তাপ স্থানান্তর শূন্য
তাপের এসআই একক জুল; ক্যালরি একটি ব্যবহারিক একক
তাপমাত্রা একটি এসআই মৌলিক রাশি, একক কেলভিন
তাপীয় সাম্যাবস্থার ধারণাই তাপমাত্রা পরিমাপকে সম্ভব করে
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
প্রবাহের দিক ঠিক করে তাপমাত্রা, তাপের পরিমাণ নয় — এই একটি বাক্যে অনেক প্রশ্ন মিলে যায়।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·বেশি তাপযুক্ত বস্তু থেকেই তাপ যায় ধরা — দিক ঠিক করে তাপমাত্রা
- ·তাপ ও তাপমাত্রাকে সমার্থক ধরা
- ·তাপকে এসআই মৌলিক রাশি ধরা — মৌলিক রাশি তাপমাত্রা
Thermal expansion and the anomalous expansion of water
তাপীয় প্রসারণ ও পানির ব্যতিক্রমী প্রসারণ
তাপ পেলে প্রায় সব পদার্থই প্রসারিত হয়, কারণ তাপে অণুর কম্পন বাড়ে এবং গড় আন্তঃআণবিক দূরত্ব বেড়ে যায়। কঠিন পদার্থে প্রসারণ তিনভাবে হিসাব করা হয় — দৈর্ঘ্য, ক্ষেত্রফল ও আয়তন বরাবর, আর এই তিনটি প্রসারাঙ্কের অনুপাত এক অনুপাত দুই অনুপাত তিন। অর্থাৎ আয়তন প্রসারাঙ্ক দৈর্ঘ্য প্রসারাঙ্কের তিন গুণ, আর এই অনুপাতটিই সবচেয়ে বেশি জিজ্ঞাসিত। পানি একটি গুরুত্বপূর্ণ ব্যতিক্রম: শূন্য থেকে চার ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত উত্তপ্ত করলে পানি প্রসারিত না হয়ে সংকুচিত হয়, তাই চার ডিগ্রিতে পানির ঘনত্ব সর্বাধিক। এই ব্যতিক্রমী আচরণের কারণেই শীতে জলাশয়ের উপরের স্তর আগে জমে বরফ হয় এবং নিচের পানি তরল থেকে যায় — যা জলজ প্রাণীর বেঁচে থাকার জন্য অপরিহার্য।
তাপে অণুর কম্পন বাড়ায় গড় আন্তঃআণবিক দূরত্ব বাড়ে, তাই প্রসারণ ঘটে
দৈর্ঘ্য, ক্ষেত্রফল ও আয়তন প্রসারাঙ্কের অনুপাত ১ : ২ : ৩
আয়তন প্রসারাঙ্ক দৈর্ঘ্য প্রসারাঙ্কের তিন গুণ
পানি ০ থেকে ৪ ডিগ্রি সেলসিয়াসে উত্তপ্ত করলে সংকুচিত হয়
৪ ডিগ্রি সেলসিয়াসে পানির ঘনত্ব সর্বাধিক
এই ব্যতিক্রমের কারণেই জলাশয় উপর থেকে জমে
বরফ পানির চেয়ে হালকা, তাই ভেসে থাকে
রেললাইন ও সেতুতে প্রসারণের জন্য ফাঁক রাখা হয়
পরীক্ষায় যেভাবে আসে
প্রসারাঙ্কের অনুপাত ১:২:৩ — একটি জানা থাকলে বাকি দুটি সঙ্গে সঙ্গে বেরিয়ে আসে।
এখানে ভুল হয় (৩)
- ·আয়তন প্রসারাঙ্ককে দৈর্ঘ্য প্রসারাঙ্কের দ্বিগুণ ধরা — তিন গুণ
- ·পানির সর্বাধিক ঘনত্ব ০ ডিগ্রিতে ধরা — ৪ ডিগ্রিতে
- ·পানিকে ০ থেকে ৪ ডিগ্রিতে প্রসারিত হয় ধরা — সংকুচিত হয়