তাপগতিবিদ্যা - অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তর

*

পদার্থবিজ্ঞান ২য় পত্র

১ম অধ্যায় - তাপগতিবিদ্যা

অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তর

১) তাপগতিবিদ্যার শূন্যতম সূত্রটি ব্যাখ্যা কর।

উ: তাপগতিবিদ্যার শূন্যতম সূত্রটি হলাে- দুটি বস্তু যদি তৃতীয় কোনাে বস্তু (তাপমান যন্ত্র) এর সাথে পৃথকভাবে তাপীয় সাম্যে থাকে তবে প্রথমােক্ত বস্তু দুটি পরস্পরের সাথে তাপীয় সাম্য থাকবে। ব্যাখ্যা: A ও B ভিন্ন তাপমাত্রার দুটি বস্তু একটি কুপরিবাহী দেওয়াল দিয়ে পৃথক করা অবস্থায় তৃতীয় একটি বস্তু এর সংস্পর্শে রাখা হলাে কিছুক্ষণ পর A ও B উভয় বস্তুই তৃতীয় বস্তু C এর সাথে তাপীয় সাম্যে পৌছায়।

২) কোনাে সিস্টেমের বিশৃঙ্খলার সূচক পরিমাপকের রাশি এনট্রপি- ব্যাখ্যা কর।

উ: রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়ায় বস্তুর যে তাপীয় ধর্ম স্থির থাকে তাকে এনট্রপি বলে। আবার কোনাে সিস্টেমের বিশৃঙ্খলার সূচক পরিমাপকেও এনট্রপি বলে। যেমন, প্রকৃতিতে বেঁচে থাকার জন্য যতটুকু অক্সিজেন দরকার তার তুলনায় কম বা বেশি থাকলে আমাদের শ্বাস-প্রশ্বাস নিতে কষ্ট হবে। এক্ষেত্রে যে বিশৃঙ্খলা বৃদ্ধি পাবে সেটিই এনট্রপির মাধ্যমে হিসাব করা হয়। 

৩) একই পরিমাণ তাপ দুটি ভিন্ন বস্তুতে সরবরাহ করা হলেও তাপমাত্রার পরিমাণ ভিন্ন হয় কেন? ব্যাখ্যা কর।

উ: আমরা জানি, তাপমাত্রা বৃদ্ধি = গৃহীত তাপ / ( ভর x আপেক্ষিক তাপ )

অর্থাৎ কোনাে বস্তুর তাপমাত্রা বৃদ্ধির পরিমাণ নির্ভর করে ঐ বস্তুর আপেক্ষিক তাপের উপর। সমপরিমাণ তাপ দুটি ভিন্ন বস্তুতে সরবরাহ করা হলে যে বস্তুর আপেক্ষিক তাপ বেশি তার তাপমাত্রা কম বৃদ্ধি পাবে আবার যার আপেক্ষিক তাপ কম তার তাপমাত্রা বেশি বৃদ্ধি পাবে। এজন্য একই পরিমাণ তাপ দুটি ভিন্ন বস্তুতে সরবরাহ করা হলে তাপমাত্রার পরিমাণ ভিন্ন হয়।

৪) ক্লিনিক্যাল থার্মোমিটারের 0 °F থেকে দাগ কাটা থাকে না কেন? ব্যাখ্যা কর।

উ: ক্লিনিক্যাল থার্মোমিটার মানবদেহের তাপমাত্রা পরিমাপের জন্য ব্যবহৃত হয়। মানবদেহের তাপমাত্রা 95 °F হতে 110 °F এর মধ্যে থাকে বলে এতে 95 °F হতে 110 °F পর্যন্ত দাগ কাটা থাকে। আবার, সুস্থ ব্যক্তির শরীরের তাপমাত্রা সাধারণত 98.4 °F হয়। এ সব কারণে ক্লিনিক্যাল থার্মোমিটারে 0 °F থেকে দাগ কাটা থাকে না।

৫) তাপ ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটর-এর কার্য পদ্ধতির মূল পার্থক্য ব্যাখ্যা কর।

উ: তাপ ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটরের কার্যপদ্ধতির মূল পার্থক্য হলাে তাপ ইঞ্জিনে উচ্চ তাপমাত্রার উৎস হতে নিম্ন তাপমাত্রার সিংকের দিকে তাপ প্রবাহিত হয় অন্যদিকে রেফ্রিজারেটরে নিম্ন তাপমাত্রার সিংক থেকে তাপ উচ্চ তাপমাত্রার উৎসের দিকে প্রবাহিত হয়। এতে তাপ ইঞ্জিনে সিস্টেম দ্বারা কাজ সম্পাদিত হয় অপরদিকে রেফ্রিজারেটরে সিস্টেমের উপর কাজ সম্পাদিত হয়।

৬) রুদ্ধতাপীয় সংকোচনে তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় কেন?

উ: রুদ্ধতাপীয় সংকোচনে গ্যাস সংকুচিত হয়। এ সংকোচনের সময় বাইরে থেকে শক্তি সরবরাহ করে সিস্টেমের উপর কাজ সম্পাদিত হয় বলে সিস্টেমের অন্তঃস্থ শক্তি বৃদ্ধি পায়, ফলে সিস্টেমের তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। এ সংকোচনে অন্তঃস্থ শক্তি, dW = =dU, কারণ dQ = 0

৭) রুদ্ধতাপীয় প্রসারণে সিস্টেম শীতল হয়- ব্যাখ্যা কর।

উ: রুদ্ধতাপীয় কোন সিস্টেমকে দ্রুত প্রসারিত করলে সিস্টেম তার অভ্যন্তরীণ শক্তির বিনিময়ে নিজেই কিছু কাজ করে। ফলে সিস্টেমের তাপমাত্রা হ্রাস পায় অর্থাৎ সিস্টেম শীতল হয়।

৮) P-V লেখচিত্রে রুদ্ধতাপীয় রেখাকে সম-এন্ট্রপি রেখা বলা হয় কেন?

উ: আমরা জানি, রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়ায় এন্ট্রপি স্থির থাকে। তাই P-V লেখচিত্রে রুদ্ধতাপীয় রেখার সর্বত্র এন্ট্রপি সমান থাকে। একারণে P-V লেখচিত্রে রুদ্ধতাপীয় রেখাকে সম-এন্ট্রপিক রেখা বলা হয়। 

৯) রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়ায় সিস্টেমের অন্তঃস্থ শক্তি হ্রাস পায় কেন?

উ: যে প্রক্রিয়ায় সিস্টেম থেকে তাপ বাইরে যায় না বা বাইরে থেকে কোনাে তাপ সিস্টেমে আসে 

তাকে রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া বলে। এ প্রক্রিয়ায় কোনাে গ্যাসকে হঠাৎ সংকুচিত করলে কিছু পরিমাণ তাপ উৎপন্ন হয়। যদি এ তাপ অপসারণ করা না হয় তবে গ্যাসের তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। আবার কোনাে গ্যাসকে হঠাৎ প্রসারিত হতে দিলে গ্যাসটি কিছু পরিমাণ তাপ হারায়। সেক্ষেত্রে বাইরে থেকে তাপ সরবরাহ হতে না দিলে গ্যাসের তাপমাত্রা হ্রাস পায়। অর্থাৎ এক্ষেত্রে গ্যাস তাপ গ্রহণ বা বর্জন না করলে তাপমাত্রা হ্রাস বৃদ্ধির কারণে গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তির হ্রাস বৃদ্ধি ঘটে। রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়ায় তাপের আদান প্রদান ঘটে না বলে গ্যাসের অন্তঃস্থ শক্তি হ্রাস পায়।

১০) রুদ্ধতাপীয় সংকোচনে সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তি বৃদ্ধি পায় কেন?

উ: রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়ায় সিস্টেম হতে তাপ বাইরে যায় না বা বাইরে থেকে সিস্টেমের ভেতরে তাপ আসতে পারে না। অর্থাৎ পারিপার্শ্বিক পরিবেশের সাথে তাপের আদান-প্রদান হয় না। আবার রুদ্ধতাপীয় সংকোচনের ক্ষেত্রে বাইরে থেকে শক্তি সরবরাহ করে সিস্টেমের উপর কাজ সম্পন্ন করা হয়। এজন্য রুদ্ধতাপীয় সংকোচনে সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তি বৃদ্ধি পায়।

১১) গ্যাসের ক্ষেত্রে দুটি আপেক্ষিক তাপ থাকে কেন? ব্যাখ্যা কর।

উ: তাপমাত্রার পরিবর্তনের জন্য কঠিন ও তরল পদার্থের চাপ ও আয়তনের পরিবর্তন ঘটে। কিন্তু এ পরিবর্তন নগণ্য হওয়ায় তা উপেক্ষা করা হয়। গ্যাসের ক্ষেত্রে তাপমাত্রার পরিবর্তনের জন্য চাপ ও আয়তনের পরিবর্তন অনেক বেশি হওয়ায় এদের মধ্যে কখনও আয়তনকে আবার কখনও চাপকে স্থির রাখা হয়। এ জন্যই গ্যাসের ক্ষেত্রে দুটি আপেক্ষিক তাপ থাকে।

১২) বডি স্প্রে ব্যবহারের সময় ঠাণ্ডা অনুভূত হয় কেন? ব্যাখ্যা কর।

উ: বডি স্প্রে ব্যবহারের সময় ঠাণ্ডা অনুভূত হয় কারণ যখন প্রে করা হয় তখন বডি স্প্রে-এর রাসায়নিক পদার্থগুলাে তরল থাকে কিন্তু শরীরের সংস্পর্শে এসে শরীর থেকে তাপ গ্রহণ করে তরল রাসায়নিক পদার্থগুলাে গ্যাসে পরিণত হয় তাই বডি স্প্রে ব্যবহারের সময় ঠাণ্ডা অনুভূত হয়।

১৩) কার্নো ইঞ্জিনকে প্রত্যাগামী ইঞ্জিন বলা হয় কেন?

উ: কোনাে চক্র প্রত্যাগামী হতে গেলে যেসব বৈশিষ্ট্য থাকা প্রয়ােজন কার্নোর আদর্শ ইঞ্জিনে সেগুলাে রয়েছে। যেমন : 

১. পিস্টন ও চোঙ বা সিলিন্ডারের মধ্যে কোনাে ঘর্ষণ নেই।

২. কার্যকরী পদার্থ (গ্যাস)-এর উপর প্রযুক্ত প্রক্রিয়াগুলাে খুব ধীরে ধীরে সংঘটিত হয়।

৩. পিস্টন ও সিলিন্ডার নির্মাণে আদর্শ তাপ নিরােধক বা অন্তরক ও আদর্শ তাপ পরিবাহী ব্যবহার করা হয় এবং তাপ উৎস ও তাপ গ্রাহকের উপাদান এমন অতি উচ্চ তাপ গ্রাহীতা যুক্ত করা হয় যে সমােষ্ণ প্রক্রিয়াগুলাে স্থির তাপমাত্রায় সংঘটিত হয়।

 ১৪) পৃথিবীর এনট্রপি দিন দিন বৃদ্ধি পাচ্ছে- ব্যাখ্যা কর।

উ: আমরা জানি, অপ্রত্যাগামী প্রক্রিয়ায় এনট্রপি বৃদ্ধি পায়। বিশ্বজগতের অধিকাংশ প্রক্রিয়াই অপ্রত্যাগামী প্রক্রিয়া। সুতরাং বিশ্বজগতের এনট্রপি ক্রমাগত বৃদ্ধি পাচ্ছে। এভাবে এনট্রপি বৃদ্ধি পেতে পেতে যখন সর্বোচ্চ মানে পৌঁছাবে তখন বিশ্বের সকল ব্যবস্থা তাপীয় সাম্যাবস্থায় উপনীত হবে। তাপীয় সাম্যাবস্থায় পৌঁছলে তাপশক্তিকে ফলপ্রসু কাজে পরিণত করা সম্ভব হবে না। ফলে কার্যকরী শক্তির দুষ্প্রাপ্যতা সৃষ্টি হবে। এমনভাবে চলতে থাকলে পৃথিবী এমন একটি ভয়াবহ অবস্থায় পৌঁছাবে যে তাপ শক্তি সরবরাহে অক্ষম হয়ে পড়বে।

১৫) তাপের পরিবহন অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া কেন? ব্যাখ্যা কর।

উ: তাপ সর্বদা উচ্চ তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তুতে সঞ্চালিত হয়। কিন্তু নিম্ন তাপমাত্রার বস্তু থেকে তাপ উচ্চ তাপমাত্রার বস্তুতে কখনও সঞ্চালিত হয় না। এজন্য তাপের পরিবহন অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া। 

 ১৬) জগতের তাপীয় মৃত্যু বলতে কি বুঝ?

উ: জগতে এন্ট্রপি যখন সর্বোচ্চে পৌঁছাবে তখন সব কিছুর তাপমাত্রা এক হয়ে যাবে। ফলে তাপশক্তিকে আর যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করা যাবে না। এই অবস্থাকে বিজ্ঞানী লর্ড কেলভিন জগতের তাপীয় মৃত্যু নামে অভিহিত করেছেন। 

 ১৭) সিস্টেম বা ব্যবস্থা কী?

উ: পরীক্ষা-নিরীক্ষার সময় জড় জগতের যে নির্দিষ্ট অংশ বিবেচনা করা হয় তাকে সিস্টেম বলে। সিস্টেম তিন প্রকার, যথা :

(ক) বদ্ধ সিস্টেম (খ) উন্মুক্ত সিস্টেম (গ) বিচ্ছিন্ন সিস্টেম

উদাহরণ : পিস্টনযুক্ত সিলিন্ডারে আবদ্ধ কিছু গ্যাস। 

১৮) এক গ্লাস পানিতে এক টুকরা বরফ রাখা হলে তা স্বতস্ফূর্তভাবে পানিতে পরিণত হয় কেন ব্যাখ্যা কর।

উ: তাপগতিবিদ্যার ২য় সূত্র হতে আমরা জানি, এমন কোনাে সিস্টেম পাওয়া সম্ভব নয়, যা স্বতস্ফূর্তভাবে নিম্ন উষ্ণতার বস্তু হতে উচ্চতর উষ্ণতার বস্তুতে তাপ সঞ্চালিত করে অর্থাৎ সর্বদা উচ্চতর উষ্ণতার বস্তু হতে নিম্নতর উষ্ণতার বস্তুতে সঞ্চালিত হয়। তাই এক গ্লাস পানিতে এক টুকরা বরফ রাখলে তা স্বতস্ফূর্তভাবে পানিতে পরিণত হয়।

১৯) একই তাপমাত্রায় দুটি সিস্টেমের এন্ট্রপি কীভাবে ভিন্ন হতে পারে তা ব্যাখ্যা কর। 

উ: আমরা জানি, এন্ট্রপি, ds = dQ / T

 উপরােক্ত সম্পর্ক থেকে দেখা যায়, তাপমাত্রা এক হলেও যদি গৃহিত বা বর্জিত তাপ ভিন্ন হয় তবে এন্ট্রপির পরিবর্তন ভিন্ন হবে। অতএব, একই তাপমাত্রার দুটি সিস্টেমে তাপের পরিবর্তন ভিন্ন হওয়ার কারণে তাদের এন্ট্রপি ভিন্ন হতে পারে।

২০) টায়ার ফাটলে ঠান্ডা বাতাস বের হয় কেন?

উ: টায়ার ফাটলে হঠাৎ চাপ হ্রাস পায় তাই এর অভ্যন্তরীণ গ্যাসের খুব দ্রুত সম্প্রসারণ ঘটে। এ কারণে উক্ত গ্যাস পরিবেশের সাথে তাপের আদান প্রদান করার জন্য যথেষ্ট সময় পায় না। তাই এ প্রক্রিয়াটি হলাে রুদ্ধতাপীয়। হঠাৎ আয়তন অনেক বেড়ে গেলে আয়তন সম্প্রসারণজনিত কাজ সম্পন্ন হয়। এজন্য যে শক্তির প্রয়ােজন হয় তা গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি হতে শােষিত হয়। এ কারণে টায়ার ফাটলে ঠাণ্ডা বাতাস বের হয়।

নিজে কর

১) বদ্ধ ঘরে রেফ্রিজারেটরের দরজা খুলে রাখলে ঘরের তাপমাত্রার কী পরিবর্তন ঘটবে- ব্যাখ্যা কর।

২) বিশৃঙ্খলা প্রকৃতির একটি ধর্ম, এতে এন্ট্রপি বাড়ে- ব্যাখ্যা কর।

৩) তাপের আদান প্রদান না হলেও তাপমাত্রার পরিবর্তন হতে পারে- ব্যাখ্যা কর। 

৪) তাপগতিবিদ্যার ১ম ও ২য় সুত্রের গুণগত পার্থক্য কী? 

৫) রােধের মধ্যদিয়ে তড়িৎ প্রবাহের ফলে তাপ উৎপন্ন হয় এটি প্রত্যাগামী না অপ্রত্যাগামী, কেন?

৬) কার্নো চক্র একটি প্রত্যাগামী চক্র ব্যাখ্যা কর। 

৭) দেখাও যে, অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় এনট্রপি বৃদ্ধি পায়।