ভূমিকা: তাপীয় ইঞ্জিন এবং রেফ্রিজারেটর আমাদের আধুনিক জীবনের অপরিহার্য অংশ। তাপীয় ইঞ্জিন তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করে, যা গাড়ি থেকে শুরু করে শিল্প-কারখানার উৎপাদন পর্যন্ত বিভিন্ন ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়। অন্যদিকে, রেফ্রিজারেটর তাপ অপসারণের মাধ্যমে বস্তুকে ঠান্ডা রাখে, যা খাদ্য সংরক্ষণ এবং শীতলীকরণের কাজে ব্যবহৃত হয়। এই পৃষ্ঠায় আমরা তাপীয় ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটরের মূল কার্যপ্রণালী এবং তাদের মধ্যে থাকা সম্পর্কের উপর সংক্ষিপ্ত আলোকপাত করব।
তাপীয় ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটর: একটি সংক্ষিপ্ত পরিচিতি
তাপীয় ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটর হলো দুটি প্রযুক্তি যা তাপশক্তি ও যান্ত্রিক শক্তির মধ্যে রূপান্তর করে। তাপীয় ইঞ্জিন তাপশক্তি থেকে যান্ত্রিক শক্তি উৎপন্ন করে এবং রেফ্রিজারেটর যান্ত্রিক শক্তি ব্যবহার করে তাপশক্তি স্থানান্তর করে। এই দুটি প্রযুক্তির মূল পার্থক্য হলো, তাপীয় ইঞ্জিন উচ্চ তাপমাত্রার উৎস থেকে তাপ গ্রহণ করে কাজ সম্পাদন করে এবং অব্যবহৃত তাপ নিম্ন তাপমাত্রার তাপগ্রাহকে বর্জন করে, আর রেফ্রিজারেটর নিম্ন তাপমাত্রার তাপগ্রাহক থেকে তাপ গ্রহণ করে কাজ সম্পাদন করে এবং অব্যবহৃত তাপ উচ্চ তাপমাত্রার উৎসে বর্জন করে।
তাপীয় ইঞ্জিন | Heat Engine
যে যন্ত্রের সাহায্যে তাপশক্তিকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করা হয়, তাকে
তাপীয় ইঞ্জিন বলে। কার্যক্ষেত্রে ব্যবহৃত তাপ ইঞ্জিনগুলোর অনেক দোষ-ত্রুটি
থাকে। তাপীয় ইঞ্জিন সরবরাহকৃত তাপশক্তির সর্বোচ্চ শতকরা 25 ভাগ মাত্র কাজে
রূপান্তরিত করতে পারে।
উদাহরণ: বাষ্পীয় ইঞ্জিন, পেট্রোল ইঞ্জিন, ডিজেল ইঞ্জিন ইত্যাদি তাপীয় ইঞ্জিন।
তাপ ইঞ্জিনের মূলনীতি
প্রত্যেক ইঞ্জিনেই একটি কার্যনির্বাহক পদার্থ থাকে। যেমন- বাষ্পীয় ইঞ্জিনের
বাষ্প, পেট্রোল ইঞ্জিনের পেট্রোল ইত্যাদি কার্যনির্বাহক পদার্থ।
কার্যনির্বাহক পদার্থ উচ্চ তাপমাত্রায় কোনো তাপ উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে ঐ তাপের
কিছু অংশ কাজে পরিণত করে এবং বাকি অংশ নিম্ন তাপমাত্রার তাপ গ্রাহকে বর্জন করে।
এভাবে কার্যরত বস্তু ক্রমাগত তাপ গ্রহণে ও বর্জনে প্রতিবার কিছু তাপ কার্যে
পরিণত করে। কোনো ইঞ্জিনে গৃহীত তাপের যত বেশি অংশ কাজে পরিণত করতে পারে ঐ
ইঞ্জিনের। দক্ষতা তত বেশি হবে। যেমন- বাষ্পীয় ইঞ্জিনের তুলনায় পেট্রোল ইঞ্জিনের
দক্ষতা বেশি। কার্নোর চক্র একটি সম্পূর্ণ প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়া। এ চক্রকে
কাজে লাগিয়ে তাপীয় ইঞ্জিন, রেফ্রিজারেটর উভয়ই তৈরি করা যায়। মূলত তাপগতিবিদ্যার
দ্বিতীয় সূত্রকে কাজে লাগিয়ে তাপীয় ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটর তৈরি করা হয়।
তাপীয় ইঞ্জিন গঠনের মূলনীতি
এমন কোনো তাপীয় ইঞ্জিন নেই যা উচ্চ তাপমাত্রার উৎস থেকে গৃহীত তাপকে
সম্পূর্ণরূপে কাজে রূপান্তরিত করতে পারে। এর কিছু অংশ অবশ্যই নিম্ন তাপমাত্রার
সিংকে ত্যাগ করতে হয়। এ নীতিকে কাজে লাগিয়েই তাপীয় ইঞ্জিন তৈরি করা হয়।
কেলভিন ও প্লাঙ্কের দেওয়া তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের মাধ্যমে তাপীয়
ইঞ্জিনের মূলনীতি স্পষ্টভাবে তুলে ধরা যায়। তা হলো- "প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায়
ক্রিয়া করে এমন কোনো ইঞ্জিন তৈরি করা সম্ভব নয়, যা তাপ উৎস থেকে ত্যাগকৃত তাপের
সম্পূর্ণ অংশ কাজে রূপান্তর করতে পারে।"
কার্যপ্রণালি: তাপ ইঞ্জিনে মূল কার্যপ্রণালির অংশ হিসেবে কাজ করে একটি
প্রত্যাবর্তী সিস্টেম, যেখানে একটি উচ্চ তাপমাত্রার উৎস থাকে যা তাপ ত্যাগ করে
এবং একটি নিম্ন তাপমাত্রার সিংক থাকে যা তাপ গ্রহণ করে (চিত্র দেখুন)।
তাপ ইঞ্জিনে উচ্চ তাপমাত্রার উৎস হতে কিছু তাপ \((Q_{H})\) বের হয়ে আসে এবং
কিছু কাজ \((W)\) সম্পাদিত করে। অতঃপর কিছু তাপ সিংকে ত্যাগ করে। এ প্রক্রিয়া
চক্রাকারে চলতে থাকে। চিত্রে,
\((Q_{H})\) = উৎস হতে ত্যাগকৃত তাপ
\((Q_{L})\) = সিংক দ্বারা শোষিত তাপ
\((W)\) = সম্পাদিত কাজ
রেফ্রিজারেটর | Refrigerator
রেফ্রিজারেটর তাপ ইঞ্জিনের বিপরীত নীতিতে কাজ করে। সাধারণত তাপ ইঞ্জিনে উচ্চ তাপমাত্রার উৎস হতে নিম্ন তাপমাত্রার সিংকের দিকে তাপ প্রবাহিত হয় কিন্তু রেফ্রিজারেটরে নিম্ন তাপমাত্রার সিংক হতে তাপ উচ্চ তাপমাত্রার উৎসের দিকে প্রবাহিত হয় ।
মূলনীতি
রেফ্রিজারেটরের মূলনীতি ক্লসিয়াসের সংজ্ঞায়িত তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র
পর্যালোচনা করলে জানা যায়। তা হলো-
"এমন কোনো রেফ্রিজারেটর তৈরি করা সম্ভব নয় যা প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় ক্রিয়া
করে নিম্ন তাপমাত্রার সিংক হতে উচ্চ তাপমাত্রার উৎসে কোনো কার্য-সম্পাদন ছাড়া
তাপ পরিবহন করতে পারে।"
অর্থাৎ, রেফ্রিজারেন্ট এর উপর কাজ \((W)\) সম্পাদনের কারণে নিম্ন তাপমাত্রার
সিংক হতে তাপ \((Q_{L})\) অপসারণের মাধ্যমে উচ্চ তাপমাত্রার উৎসে তাপ
\((Q_{H})\) পরিবাহিত হয় এবং রেফ্রিজারেটর ঠাণ্ডা থাকে।
রেফ্রিজারেটর প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ায় ক্রিয়া করে অর্থাৎ চক্রাকারে চলে। এ
কারণে অভ্যন্তরীণ শক্তির কোনো পরিবর্তন হয় না।
সুতরাং তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রানুযায়ী, \(|Q_{L}|-|Q_{H}|=|W|\) বা,
\(|Q_{H}|=|Q_{L}| - |W|\)
অর্থাৎ, উচ্চ তাপমাত্রার উৎসে নির্গত তাপ নিম্ন তাপমাত্রার উৎস হতে সম্পাদিত কাজের দ্বারা বের হওয়া তাপের থেকে বেশি। তাপ ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটরের প্রধান পার্থক্য হলো তাপ ইঞ্জিনে সিস্টেম দ্বারা কাজ সম্পাদিত হয় কিন্তু রেফ্রিজারেটরে সিস্টেমের উপর কাজ সম্পাদিত হয়। এ কারণে রেফ্রিজারেটরে তাপ প্রবাহের স্বাভাবিক নিয়ম (উচ্চ তাপমাত্রা হতে নিম্ন তাপমাত্রার দিকে তাপ প্রবাহিত হবে) ভেঙে উচ্চ তাপমাত্রার উৎসের দিকে তাপ প্রবাহিত হয়।
কার্যপ্রণালিঃ
রেফ্রিজারেটরের চারটি প্রধান অংশ হচ্ছে-
১. কমপ্রেসার (Compressure),
২. কনডেনসার (Condenser),
৩. প্রসারক ভালভ (Expansion Valve) ও
৪. রেফ্রিজারেন্ট রাখার স্থান (Refrigerent Space) |
রেফ্রিজারেন্ট রাখার স্থান হতে আগত উষ্ণ বাষ্প কমপ্রেসারে প্রেরণ করা
হয় যেখানে চাপ প্রদানে বাষ্প তরলে পরিণত হয়। এরপর একে কনডেনসারে প্রেরণ করা
হয় যেখানে তরল রেফ্রিজারেন্ট (যেমন-ফ্রেয়ন II) ঘনীভূত হয় এবং এর তাপমাত্রা
অনেক কমে যায়। এরপর ঘনীভূত তরলকে প্রসারক ভালভের মধ্যদিয়ে প্রেরণ করা হয় ফলে
তা বাষ্পীভূত হয়, যাকে পরবর্তীতে রেফ্রিজারেন্ট রাখার স্থানে প্রেরণ করা হয়
ফলে রেফ্রিজারেটরে রাখা খাবার বা অন্য পদার্থ ঠান্ডা হয়।
কার্যকৃত সহগ (Co-efficient of Performance)
রেফ্রিজারেটর হতে অপসারিত তাপ এবং রেফ্রিজারেটরের বাইরের এজেন্ট কর্তৃক
কৃতকাজের অনুপাতকে কার্যকৃত সহগ বলে। একে \(K\) দ্বারা সূচিত করা হয়।
ধরা যাক, নিম্ন তাপমাত্রার সিংক হতে অপসারিত তাপ হচ্ছে \(Q_{2}\), এবং
বাইরের এজেন্ট (কম্প্রেসার, কনডেনসার, প্রসারক ভাল) কর্তৃক কৃত কাজ হচ্ছে
\(W\) এবং উচ্চ তাপমাত্রার উৎসে বর্জিত তাপ \(Q_{1}\)
তাহলে, \(Q_{1}=Q_{2}+W\)
বা, \(W=Q_{1}-Q_{2}\)
\(\therefore\) কার্যকৃত সহগ, K = (অপসারিত তাপ)/(সম্পাদিত কাজ)
\(\therefore\) \(K = \frac{Q_{2}}{W} = \frac{Q_{2}}{Q_{1} - Q_{2}}\)
উল্লেখ্য যে, তাপীয় ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা 100% এর অধিক হতে পারে না কিন্তু রেফ্রিজারেটরের কার্যকৃত সহগ 100% এর থেকে অনেক বেশি হতে পারে। কার্যকৃত সহগ যত বেশি হবে তত কম কাজ সম্পাদনের মাধ্যমে রেফ্রিজারেটর হতে বেশি তাপ অপসারণ করা যাবে।
রেফ্রিজারেটর তাপ ইঞ্জিনের একটি বিপরীত যন্ত্র:
রেফ্রিজারেটরকে তাপ ইঞ্জিনের একটি বিপরীত যন্ত্র হিসেবে বিবেচনা করা হয়। কারণ তাপ ইঞ্জিন উচ্চ তাপমাত্রার উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে কার্য সম্পাদন করে এবং অব্যবহৃত তাপ নিম্ন তাপমাত্রার তাপগ্রাহকে বর্জন করে। পক্ষান্তরে রেফ্রিজারেটর নিম্ন তাপমাত্রার উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে ও উচ্চ তাপমাত্রার আধারে বর্জন করে। অতএব, রেফ্রিজারেটর তাপ ইঞ্জিনের একটি বিপরীত যন্ত্র।
ইঞ্জিনের দক্ষতা | Efficiency of Engine
সংজ্ঞা: ইঞ্জিন একটি চক্রে যে পরিমাণ তাপকে কাজে পরিণত করে এবং তাপ উৎস হতে যে পরিমাণ তাপ শোষণ করে, এদের অনুপাতকে ইঞ্জিনের দক্ষতা বলে। ইঞ্জিনের দক্ষতাকে। (ইটা) দ্বারা প্রকাশ করা হয়।
\(\therefore\) \(\eta\) = ( ইঞ্জিন দ্বারা কাজে রূপান্তরিত তাপের পরিমাণ)/(তাপ উৎস হতে শোষিত তাপের পরিমাণ)
গাণিতিকভাবে,
\( \eta= \frac{Q_{1}-Q_{2}}{Q_{2}}\)
বা, \(\eta = 1-\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\)
কিন্তু \(\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\) = \(\frac{W_{3}}{W_{1}}\) =\(
\frac{RT_{2}ln\frac{V_{3}}{V_{4}}}{RT_{1}ln\frac{V_{2}}{V_{1}}}\) = \(
\frac{T_{2}ln\frac{V_{3}}{V_{4}}}{T_{1}ln\frac{V_{2}}{V_{1}}}\)
............. (1) রূদ্ধতাপীয় লেখ হতে আমরা জানি,
\(T_{1}V_{2}^{\gamma -1}=T_{2}V_{3}^{\gamma-1}\) ........... (2)
এবং \(T_{1}V_{1}^{\gamma -1}=T_{2}V_{4}^{\gamma-1}\) ...............
(3)
(2) সমীকরণকে (3 ) দ্বারা ভাগ করে পাই,
\(\frac{T_{1}V_{2}^{\gamma -1}}{T_{2}V_{3}^{\gamma-1}}\) =
\(\frac{T_{1}V_{1}^{\gamma -1}}{T_{2}V_{4}^{\gamma-1}}\)
বা, \(\frac{V_{2}}{V_{1}} = \frac{V_{3}}{V_{4}}\)
বা, \(ln\frac{V_{2}}{V_{1}} = ln\frac{V_{3}}{V_{4}}\) ............. (4)
সমীকরণ (1) ও (4) হতে পাই,
\(\frac{Q_{2}}{Q_{1}} = \frac{T_{2}}{T_{1}}\)
সমীকরণ (a) ও (4) থেকে পাই
\(\therefore\) \(\eta\) = \(1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\) ............ (a)
ইঞ্জিনের দক্ষতাকে শতকরায় প্রকাশ করা হয়।
\(\therefore\) ইঞ্জিনের দক্ষতা, \(\eta\) = \((1-\frac{T_{2}}{T_{1}})
\times 100%\)........ (5)
সমীকরণ (5) হতে দেখা যায় যে, ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা কেবলমাত্র তাপ উৎস ও তাপ
গ্রাহকের তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, কার্যকরী পদার্থের প্রকৃতির উপর নয়। আরো
দেখা যায় যে, যেকোনো দুটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রার মধ্যে কার্যরত সকল
প্রত্যাবর্তী ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা সমান হবে।
তাছাড়াও সমীকরণটি আরও নির্দেশ করে যে কর্মদক্ষতার মান সবসময় \(100\)% অপেক্ষা
কম হবে, কারণ \(\frac{T_{2}}{T_{1}}\) ধনাত্মক রাশি এবং এটি 1 হতে বিয়োগ করা
হয়েছে। \(T_{1}\) যত বেশি হবে \(\eta\) তত বৃদ্ধি পাবে।
এখানে, \(T_{1}> (T_{1} - T_{2})\)। কাজেই ইঞ্জিনের দক্ষতা কখনই \(100\)% হতে
পারে না। তাপ উৎস ও তাপগ্রাহকের পার্থক্য যত বেশি হবে ইঞ্জিনের দক্ষতাও তত
বৃদ্ধি পাবে।
ইঞ্জিনের দক্ষতা হতে ইঞ্জিন সম্পর্কে যে সকল ধারণা পাওয়া যেতে পারে:
- ইঞ্জিনের দক্ষতা উৎসের তাপমাত্রা ও তাপগ্রাহকের তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে কিন্তু কার্যনির্বাহক পদার্থের উপর নির্ভর করে না।
- যেহেতু \(T_{1}> (T_{1}-T_{2}\), কাজেই ইঞ্জিনের দক্ষতা কখনই \(100\)% হতে পারে না।
- তাপ উৎস ও তাপগ্রাহকের মধ্যবর্তী তাপমাত্রার পার্থক্য যত বেশি হবে ইঞ্জিনের দক্ষতা তত বেশি হবে।
- যেকোনো দুটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রার মধ্যে কার্যরত সকল প্রত্যগামী ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা সমান হয়।
উপসংহার: তাপীয় ইঞ্জিন এবং রেফ্রিজারেটর দুটি প্রযুক্তি হলেও তাদের কাজের মূলনীতি তাপ ও শক্তির রূপান্তরের উপর ভিত্তি করে। তাপীয় ইঞ্জিন যান্ত্রিক শক্তি উৎপাদন করে, যেখানে রেফ্রিজারেটর তাপ সরিয়ে ঠান্ডা পরিবেশ তৈরি করে। এই দুটি যন্ত্র আমাদের দৈনন্দিন জীবনকে সহজ এবং কার্যকর করেছে। এই সংক্ষিপ্ত আলোচনায় আমরা তাদের ভূমিকা ও প্রভাব সম্পর্কে একটি পরিষ্কার ধারণা দিয়েছি, যা প্রযুক্তির আরও গভীর বোঝাপড়ায় সাহায্য করবে।