তাপগতিবিদ্যা অধ্যায়ের জন্য প্রয়োজনীয় গুরুত্বপূর্ণ অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তরগুলি জানুন। HSC পদার্থবিজ্ঞান দ্বিতীয় পত্রের প্রস্তুতিতে সেরা ফলাফল পেতে সহায়ক।
অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তর
সেলসিয়াস স্কেল বলতে কী বোঝ?
উত্তর: ১৭৪২ সালে সুইডিশ জ্যোতির্বিদ অ্যানডার্স সেলসিয়াস তাপমাত্রা পরিমাপের
সেলসিয়াস স্কেল প্রবর্তন করেন। এ স্কেলে বরফ বিন্দু বা নিম্ন স্থির
বিন্দুকে \(0^{0}C\) এবং স্টিম বিন্দু বা উর্ধ্ব স্থির বিন্দুকে \(100^{0}C\)
ধরে মৌলিক ব্যবধানকে \(100\) সমান ভাগে ভাগ করা হয়। এর এক ভাগকে
এক ডিগ্রি সেলসিয়াস বলে। ১৯৪৮ সাল থেকে আবিষ্কারকর্তার নাম অনুসারে এ
স্কেলের নাম সেন্টিগ্রেডের পরিবর্তে সেলসিয়াস রাখা হয়। সেলসিয়াস স্কেলের
ক্ষেত্রে থার্মোমিতির মূল সমীকরণ হলো-
\( \theta = \frac{X_{\theta} - X_{0}}{X_{100} -X_{0}} \times100^{0}C\)
পানির ত্রৈধ বিন্দুর সাপেক্ষে তাপমাত্রা নির্ণয়ের মূলনীতি ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: আমরা জানি, কোনো পদার্থের উষ্ণতামিতিক ধর্ম তাপমাত্রার সমানুপাতিক।
মনে করি, উষ্ণতামিতিক ধর্ম \(x\) এবং তাপমাত্রা \(T\) ।
\( \therefore\)
\( x \propto T \)
যদি \(T_{1}\) ও \(T_{2}\) তাপমাত্রায় উষ্ণতামিতিক ধর্ম যথাক্রমে
\(x_{1}\) ও \(x_{2}\) হয় তবে,
\( \frac{x_{1}}{x_{2}} = \frac{T_{1}}{T_{2}} \) ............. (1)
পানির ত্রৈধ বিন্দুতে উষ্ণতামিতিক ধর্ম \(x_{tr}\) এবং যেকেনো তাপমাত্রা \(T\)
তে উষ্ণত্যমিতিক ধর্ম \(x\) হলে,
(1) নং সমীকরণকে লেখা যায়।
\( \frac{x}{x_{tr}} = \frac{T}{T_{tr}} \)
\( \therefore \) \( T = \frac{x}{x_{tr}} \times T_{tr}\)
পানির ত্রৈধ বিন্দুর তাপমাত্রা, \(T_{tr} = 273.16 K\)
\( \therefore \) \( T = \frac{x}{x_{tr}} \times 273.16 K \)
এটিই হলো পানির ত্রৈধ বিন্দুর সাপেক্ষে তাপমাত্রা নির্ণয়ের মূলনীতি।
ফারেনহাইট স্কেল কি? ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: জার্মান বিজ্ঞানি জি.ডি. ফারেনহাইট ১৭২০ খ্রিস্টাব্দে ফারেনহাইট স্কেল
প্রবর্তন করেন। ফারেনহাইট স্কেলে বরফ বিন্দু বা নিম্ন স্থির বিন্দুকে \(32^{0}\)
এবং স্টিম বিন্দু বা উর্ধ্ব স্থিরবিন্দুকে \(212^{0}\) ধরে মৌলিক ব্যবধানকে সমান
\(180\) ভাগে ভাগ করা হয়। এর এক-এক ভাগকে এক ডিগ্রি ফারেনহাইট বলে। ফারেনহাইট
স্কেলের \(180\) ভাগ কেলভিন বা সেলসিয়াস স্কেলের \(100\) ভাগের সমান। ফারেনহাইট
স্কেলের ক্ষেত্রে থার্মোমিতির মূল সমীকরণটি হলো:
\( \theta = \frac{X_{\theta} - X_{ice}}{X_{steam} -X_{ice}}\times 212^{0} F\)
কখন \( \Delta Q\) ধনাত্মক ধরা হয়?
উত্তর: যদি কোনো সিস্টেমে \( \Delta Q\) পরিমাণ তাপশক্তি সরবরাহ করার ফলে
সিস্টেমের অন্তঃস্থ শক্তির পরিবর্তন \( \Delta U\) এবং সিস্টেম কর্তৃক পরিবেশের
উপর বাহ্যিক কৃতকাজের পরিমাণ \( \Delta W\) হয়, তাহলে তাপগতিবিদ্যার প্রথম
সূত্রানুসারে,
\( \Delta Q\)=\( \Delta U\)+\( \Delta W\)
যদি সিস্টেমে তাপ সরবরাহ করা হয়
তবে \( \Delta Q\) ধনাত্মক হবে।
বিকারের পানিতে সাধারণ বায়ুমণ্ডলের চাপে স্টিম চালনা করলে কী ঘটবে? কেন?
উত্তর: বিকারের পানিতে স্টিম চালনা করলে পানি ফুটবে না। কারণ সাধারণ বায়ুমণ্ডলের চাপে স্টিমের উষ্ণতা \(100^{0}C\)। ঐ স্টিম বিকারের পানিতে চালনা করলে স্টিম তাপ বর্জন করবে এবং পানি এ তাপ গ্রহণ করবে। ফলে পানির উষ্ণতা ধীরে ধীরে বাড়তে থাকবে এবং অবশেষে \(100^{0}C\) এ পৌছাবে। ঐ অবস্থায় পানি ও স্টিম উভয়ের উষ্ণতা সমান হয়ে যাওয়ায় তাদের মধ্যে তাপের আদান প্রদান বন্ধ হয়ে যায়। ফলে \(100^{0}C\) উচ্চতাবিশিষ্ট পানি ফোটার জন্য প্রয়োজনীয় লীন তাপ আর স্টিম থেকে সংগ্রহ করতে। পারে না। ফলে ঐ পানি \(100^{0}C\) এ-ই থেকে যায়, ফুটে না।
সমোষ্ণ পরিবর্তনের বৈশিষ্ট্যগুলো লেখ।
উত্তর: সমোঝ পরিবর্তনের বৈশিষ্ট্যগুলো নিচে দেওয়া হলো-
- সমোষ্ণ পরিবর্তনে প্রয়োজনমতো তাপ সরবরাহ করতে হয়।
- এটি একটি ধীর প্রক্রিয়া।
- সমোষ্ণ পরিবর্তন বয়েল এর সূত্র মেনে চলে অর্থাৎ \(PV\) = ধ্রুবক।
- এ পরিবর্তনে পাত্রটি তাপের সুপরিবাহী হওয়া প্রয়োজন।
স্থির চাপে মোলার আপেক্ষিক তাপ বলতে কী বুঝায়?
উত্তর: স্থির চাপে এক মোল গ্যাসের তাপমাত্রা এক কেলভিন বাড়াতে যে পরিমাণ তাপের
প্রয়োজন হয় তাকে স্থির চাপে মোলার আপেক্ষিক তাপ বলে। একে \(C_{P}\) দ্বারা প্রকাশ
করা হয়। চাপ স্থির রেখে \(m\) মোল গ্যাসের তাপমাত্রা \(\Delta T\) কেলভিন বৃদ্ধি
করতে যদি \( \Delta T\) জুল তাপশক্তির প্রয়োজন হয়, তবে সংজ্ঞানুসারে,
\(C_{P} = \frac{\Delta Q}{m \Delta T}\)
মোলার আপেক্ষিক তাপের একক \(Jmole^{-1}K^{-1}\)
অভ্যন্তরীণ শক্তি বলতে কী বোঝায়?
উত্তর: প্রত্যেক বস্তুর মধ্যে একটা সহজাত শক্তি নিহিত থাকে, যা কাজ সম্পাদন করতে
পারে যা অন্য শক্তিতে রূপান্তরিত হতে পারে। বস্তুর অভ্যন্তরস্থ অণু, পরমাণু ও
মৌলিক কণাসমূহের রৈখিক গতি, স্পন্দন গতি ও আবর্তন গতি এবং তাদের মধ্যকার
পারস্পরিক বলের কারণে উদ্ভূত এই শক্তিকেই অভ্যন্তরীণ বা অন্তঃস্থ শক্তি বলে।
অভ্যন্তরীণ শক্তি নিম্নোক্ত দুই ধরনের শক্তির যোগফল।
১. তাপীয় শক্তি যা এলোমেলোভাবে বিচরণশীল অণুগুলোর গতিশক্তি এবং
২. আণবিক স্থিতিশক্তি। অণুর মধ্যে যে সকল পরমাণু থাকে, তাদের মধ্যে ক্রিয়াশীল বল
এবং আন্তঃআণবিক বলের কারণে আণবিক স্থিতিশক্তির উৎপত্তি হয়।
\(\therefore\) মোট অন্তঃস্থ শক্তি,
\(E = K.E. + P.E\)
তাপীয় সাম্যাবস্থা বলতে কী বুঝায়?
উত্তর: কোনো বিচ্ছিন্ন সিস্টেমের চূড়ান্ত অবিচল অবস্থাকে তাপগতীয় সাম্যাবস্থা বলে। তাপীয় সাম্যবস্থায় সিস্টেমের সকল বিন্দুতে চাপ (P), আয়তন (V) এবং তাপমাত্রা (T) এর মান অপরিবর্তিত থাকে। কোনো সিস্টেমের বিভিন্ন অংশ যদি পরিবেশের সাথে একই তাপমাত্রায় থাকে এবং এদের মধ্যে কোনো তাপ বিনিময় না ঘটে তাহলে সিস্টেমটি পরিবেশের সাথে তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে বলা যায়।
সমোষ্ণ প্রক্রিয়া বলতে কী বোঝ?
উত্তর: যে প্রক্রিয়ায় কোনো গ্যাসের চাপ ও আয়তনের পরিবর্তন হয়, কিন্তু তাপমাত্রা অপরিবর্তিত অর্থাৎ স্থির থাকে, সে প্রক্রিয়াকে সমোষ্ণ প্রক্রিয়া এবং পরিবর্তনকে সমোঞ্চ পরিবর্তন বলে। অন্যকথায়, যে তাপগতীয় প্রক্রিয়ায় সিস্টেমের তাপমাত্রা অপরিবর্তিত অর্থাৎ স্থির থাকে তাকে সমোঝ প্রক্রিয়া বলে। সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় \(PV\) = ধ্রুবক।
স্থির আয়তনে মোলার আপেক্ষিক তাপ ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: স্থির আয়তনে \(1 mole\) গ্যাসের তাপমাত্রা \(1 K\) বৃদ্ধি করতে যে
তাপের প্রয়োজন হয় তাকে স্থির আয়তনে মোলার আপেক্ষিক তাপ বলে। একে \(C_{V}\) দ্বারা
প্রকাশ করা হয়। আয়তন স্থির রেখে \(m\) মোল গ্যাসের তাপমাত্রা \( \Delta T \)
কেলভিন বৃদ্ধি করতে যদি \( \Delta Q\) জুল তাপশক্তির প্রয়োজন হয় তবে
সজ্ঞানুসারে,
\( C_{V}= \frac{ \Delta Q}{m \Delta T}\)
ধ্রুব আয়তন প্রক্রিয়া বলতে কী বোঝ?
উত্তর: যে প্রক্রিয়ায় কোনো সিস্টেমের আয়তন ধ্রুব থাকে তাকে ধ্রুব আয়তন প্রক্রিয়া
বলে। এই প্রক্রিয়ায় আয়তন ধ্রুব থাকে বলে
\(dV = 0\)
অতএব, কাজের পরিমাণ,
\(dW = PdV = P \times 0 = 0 \)
\(\therefore dW = 0 \)
তাপগতিবিদ্যার ১ম সূত্রানুসারে,
\(dQ=dU+dW=dU+0=dU\)
অর্থাৎ ধ্রুব আয়তন প্রক্রিয়ায় অন্তঃস্থ শক্তির বৃদ্ধি সরবরাহকৃত তাপশক্তির সমান।
মোলার তাপধারণ ক্ষমতার সাথে গ্যাসের আপেক্ষিক তাপের সম্পর্ক নির্ণয় করো।
উত্তর: মনে করি, \(n\) মোল কোনো গ্যাসের তাপমাত্রা \(\Delta T\) ডিগ্রি বৃদ্ধি
করতে \(\Delta Q\) পরিমাণ তাপের প্রয়োজন হয়।
\(\therefore\) মোলার তাপধারণ ক্ষমতা,
\( C = \frac{\Delta Q}{n \Delta T}\)
এখন, যদি \(n\) মোল গ্যাসের ভর \(m\) হয় তবে,
\( n=\frac{m}{M}\)
\(\therefore\) মোলার তাপধারণ ক্ষমতা,
\(C= \frac{\Delta Q}{\frac{m}{M}\Delta T} =M \times \frac{\Delta Q}{m\Delta T}
=M \times S\)
(একক ভরের তাপমাত্রা একক পরিমাণ বৃদ্ধি করতে প্রয়োজনীয় তাপ)
\(\therefore\) মোলার তাপধারণ ক্ষমতা = গ্যাসের আণবিক ভর × গ্যাসের আপেক্ষিক
তাপ।
এটিই নির্ণেয় সম্পর্ক।
তাপগতিবিদ্যার কেলভিনের সূত্রটি বিবৃতি ও ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: চতুষ্পার্শ্বস্থ শীতলতম বস্তুর চেয়েও অধিক শীতল করে কোনো জড় বস্তুর
সাহায্যে শক্তির অবিরাম সরবরাহ পাওয়া সম্ভব নয়।
ব্যাখ্যা: তাপ উৎসের তাপমাত্রা পরিপার্শ্বের তাপমাত্রার সমান হলে কোনো তাপ ইঞ্জিন
কাজ করতে সক্ষম হবে না। তাপ উৎসের তাপমাত্রা কখনও পরিপার্শ্বস্থ শীতলতম বস্তুর
তাপমাত্রা অপেক্ষাও শীতল হলে কিছুতেই তাপকে কাজে রূপান্তর করা সম্ভব নয়।
প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া এমন একটি প্রক্রিয়া যা পরিপার্শ্বের কোনোরূপ
পরিবর্তন ছাড়াই বিপরীতমুখী হয়ে আদি অবস্থায় প্রত্যাবর্তন করতে পারে।
মনে করি, কোনো একটি প্রক্রিয়ায় কার্যনির্বাহক বস্তু স্থির তাপমাত্রায় \(A \)
অবস্থা হতে পরিবর্তিত হয়ে \(B\) অবস্থায় গেল এবং এ পরিবর্তনে কিছু তাপ শোষণ করল ও
কিছু বাহ্যিক কাজ সম্পাদন করল। তাপগতিবিদ্যায় এ প্রক্রিয়াটি হলো সম্মুখগামী
প্রক্রিয়া। অপরদিকে বস্তুটি যখন একই পরিবেশে \(B\) অবস্থা থেকে \(A\) অবস্থায়
প্রত্যাবর্তন করে তখন তাকে পশ্চাদগামী প্রক্রিয়া বলে। সামগ্রিকভাবে সম্মুখগামী ও
বিপরীতগামী প্রক্রিয়ার সমন্বয়ে সৃষ্ট প্রক্রিয়াই হলো প্রত্যাগামী প্রক্রিয়া।
অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া উদাহরণসহ ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: যে প্রক্রিয়া বিপরীতমুখী হয়ে প্রত্যাবর্তন করতে পারে না তাকে
অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া বলে।
উদাহরণ: ভিন্ন তাপমাত্রার দুটি বস্তুকে পরস্পরের সংস্পর্শে রাখলে তাপ উচ্চ
তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তুতে সঞ্চালিত হয়। কিন্তু নিম্ন
তাপমাত্রার বস্তু হতে তাপ উচ্চ তাপমাত্রার বস্তুতে সঞ্চালিত হয় না। সুতরাং এটি
একটি অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া।
অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ার বৈশিষ্ট্য লেখ।
উত্তর: অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ার বৈশিষ্ট্য হলো-
- অপ্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া দ্রুত প্রক্রিয়া।
- এটি স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়া এবং একমুখী।
- এ প্রক্রিয়ায় সিস্টেমে তাপীয় সাম্যাবস্থা বজায় থাকে না।
- এ প্রক্রিয়ায় অবক্ষয়ী ফলাফল দৃষ্ট হয়।
কোনো যন্ত্রের কর্মদক্ষতা 40% বলতে কী বুঝায়?
উত্তর: কোনো যন্ত্রের কর্মদক্ষতা \(40\)% বলতে বুঝায় যে,
যন্ত্রটিতে \(100\) একক হারে শক্তি সরবরাহ করলে তার মাত্র \(40\) একক শক্তি কাজে
লাগবে এবং বাকী \(60\) একক অপচয় হবে।
কার্যকৃত সহগ ব্যাখ্যা করো।
উত্তর: রেফ্রিজারেটর হতে অপসারিত তাপ ও কম্প্রেসর কর্তৃক সরবরাহকৃত যান্ত্রিক
কাজের অনুপাতকে কার্যকৃত সহগ বলে। একে \(K\) দ্বারা প্রকাশ করা হয়।
রেফ্রিজারেটরের বাষ্পীভবন কুণ্ডলী' হতে অপসারিত তাপ \(Q_{1}\) এবং কম্প্রেসর
কর্তৃক সরবরাহকৃত কাজ \(W\) এবং ঘনীভবন কুণ্ডলীতে বর্জিত তাপ \(Q_{2}\) হলে,
তাপীয় সূত্রানুসারে
\(Q_{2}=Q_{1}+W\)
\(\therefore\) \(W =Q_{2} - Q_{1}\)
কার্যকৃত সহগ, \(K\) = (অপসারিত তাপ)/(সরবরাহকৃত কাজ) =
\(\frac{Q_{1}}{Q_{2}-Q_{1}}=\frac{Q_{1}}{W}\)
এনট্রপির সাহায্যে তাপগতিবিজ্ঞানের দ্বিতীয় সূত্রকে প্রকাশ করো।
উত্তর: প্রকৃতির সকল ভৌত বা রাসায়নিক ক্রিয়া এমনভাবে সংঘটিত হয় যে, যার ফলে
সার্বিক ব্যবস্থার এনট্রপি বৃদ্ধি পায়।
ধরি, একটি সিস্টেমের প্রাথমিক ও চূড়ান্ত অবস্থা \(A\) ও \(B\) তে এনট্রপির মান
যথাক্রমে \(S_{A}\) এবং \(S_{B}\)
সিস্টেমের এনট্রপির পরিবর্তন,
\(S_{B}-S_{A}\) = \(\int_A^B\frac{dQ}{T}\)
\(\therefore\) \(dQ=TdS\)
এটিই তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের গাণিতিক রূপ।
তাপগতিবিদ্যার মৌলিক ধারণাগুলো সহজে বোঝার জন্য সেরা অনুধাবনমূলক প্রশ্নোত্তর সংগ্রহ। তাপীয় সমতা, এনট্রপি, সমোষ্ণ প্রক্রিয়া, ও তাপগতিবিদ্যার সূত্রাবলির ব্যাখ্যা। এইচএসসি পরীক্ষার জন্য অপরিহার্য।
