ভূমিকা: তাপমাত্রা পরিমাপ একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রক্রিয়া, যা আমাদের পরিবেশ এবং পদার্থের গুণাবলী বুঝতে সহায়ক। তাপমাত্রা পরিমাপের জন্য বিভিন্ন স্কেল ব্যবহৃত হয়, যেমন সেলসিয়াস, ফারেনহাইট, এবং কেলভিন স্কেল। তাপমাত্রা পরিমাপের নীতির মাধ্যমে আমরা তাপ ও তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য নির্ধারণ করতে পারি, যা মৌলিক ব্যবধান বুঝতে এবং সঠিকভাবে মাপ নিশ্চিত করতে গুরুত্বপূর্ণ।
তাপমাত্রা পরিমাপের বিভিন্ন বৈজ্ঞানিক পদ্ধতি সম্পর্কে জানুন। এই পোস্টে তাপ ও তাপমাত্রা, তাপমাত্রার বিভিন্ন স্কেল, নিম্ন-ঊর্ধ্ব স্থিরবিন্দু, মৌলিক ব্যবধান এবং সৃজনশীল প্রশ্ন ও সমাধান সম্পর্কে আলোচনা করা হয়েছে।
তাপ ও তাপমাত্রা
তাপ হচ্ছে এমন একটি বাহ্যিক ভৌত কারণ (External Physical Cause) যা বস্তুর
মধ্যে উত্তপ্ততা বা শীতলতার অনুভূতি সৃষ্টি করে, সুস্পষ্টভাবে তাপ এক প্রকার
শক্তি। কোনো বস্তু তাপ গ্রহণ করলে এটি উত্তপ্ত হয় এবং তাপ বর্জন করলে শীতল হয়।
সংঙ্গা: তাপ হচ্ছে কোনো বস্তুর আণবিক গতির সম্পর্কিত এক প্রকার শক্তি যা
ঠান্ডা বা গরমের অনুভূতি জন্মায়।
আর বস্তুর উত্তপ্ততার মাত্রা হচ্ছে বস্তুটির তাপমাত্রা। উত্তপ্ত বস্তুকে শীতল
বস্তুর সংস্পর্শে আনলে উত্তপ্ত বস্তু হতে শীতল বস্তুতে তাপ সঞ্চালিত হয়, যতক্ষণ
না উভয়ের তাপমাত্রা সমান হয়। অর্থাৎ তাপের প্রবাহ কোন দিকে হবে তা তাপমাত্রা
দ্বারা নির্দেশিত হয়।
সংঙ্গা: তাপমাত্রা হলো একটি বস্তুর তাপীয় অবস্থা,
যা ঐ বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে তাপের প্রবাহ নিয়ন্ত্রণ করে।
তাপীয় সমতা
দুটি ভিন্ন বস্তুর বা সিস্টেমের তাপমাত্রা একই হলে বস্তুদ্বয় বা সিস্টেম দুটি তাপীয় সমতায় আছে বলা যায়। দুটি বস্তু যদি তাপীয় সমতায় থাকে তাহলে এদের মধ্যে তাপের আদান-প্রদান হয় না। যখন পরস্পরের সংস্পর্শে থাকা বস্তুগুলোর মধ্যে তাপের আদান-প্রদান ঘটে না তখন তাকে তাপীয় সমতা বা সাম্যাবস্থা বলে। তাপ সব সময় স্বতঃস্ফূর্তভাবে উচ্চতর তাপমাত্রার বস্তু থেকে অপেক্ষাকৃত নিম্নতর তাপমাত্রার বস্তুতে সঞ্চালিত হয়। একটি তাপগতীয় প্রক্রিয়ার অধীনে স্থাপিত তাপীয় সাম্যাবস্থার দুটি সিস্টেম যদি তৃতীয় আরেকটি সিস্টেমের সাথে তাপীয় সাম্যাবস্থায় থাকে, তবে সিস্টেম তিনটি একে অপরের সাপেক্ষে তাপীয় সাম্যাবস্থায় আছে বলে ধরে নেওয়া যায়। এটিকে তাপগতিবিদ্যার শূন্যতম সূত্র (\(0^{th}\)) বা Zeroth Law of Thermodynamics) বলা হয়।
তাপ ও তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য:
| তাপ | তাপমাত্রা |
|---|---|
| তাপ শক্তির একটি রূপ। তাপ বস্তুর অণু বা পরমাণুর গতিবিধির কারণে থাকা মোট গতিশক্তি। তাপ হলো কারণ। | তাপমাত্রা হলো একটি বস্তুর অণু বা পরমাণুর গড় গতিশক্তির পরিমাপ। তাপমাত্রা বস্তুর তাপীয় অবস্থা নির্দেশ করে। তাপমাত্রা হলো তাপের ফল। |
| তাপকে সাধারণত \(Q\) দ্বারা প্রকাশ করা হয়। কখনও কখনও \(H\) দ্বারাও প্রকাশ করা হয়। | তাপমাত্রাকে \(T\) দ্বারা প্রকাশ করা হয়। |
| তাপের একক জুল (\(J\)) | তাপমাত্রার একক সেলসিয়াস (\(^{0}C\)) বা কেলভিন |
| একটি প্রক্রিয়া চলাকালীন শক্তি স্থানান্তরের পরিপ্রেক্ষিতে তাপ পরিমাপ করে। এক্ষেত্রে সিস্টেমে বা সংখ্যায় তাপ যুক্ত বা বিযুক্ত হতে পারে। সাধারণত ক্যালরিমিটার ব্যবহার করে তাপ পরিমাপ করা হয়। | থার্মোমিটার ব্যবহার করে তাপমাত্রা পরিমাপ করা হয়। কোন একটি বস্তু কতটা গরম বা ঠান্ডা, তাপমাত্রা তা নির্দেশ করে। |
| তাপ উচ্চ তাপমাত্রার অঞ্চল থেকে নিম্ন তাপমাত্রার অঞ্চলে প্রবাহিত হয়। শুধুমাত্র তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে তাপের স্থানান্তর ঘটে। | তাপমাপত্রার স্থানান্তর ঘটে না। এটি শুধুমাত্র পদার্থের গড় শক্তির প্রতিনিধিত্ব করে। |
| তাপ পদার্থের অবস্থার পরিবর্তন ঘটাতে (যেমন: কঠিন থেকে তরল, তরল থেকে বায়বীয়) পারে। | তাপমাত্রা পদার্থের ভৌত বৈশিষ্ট্যকে প্রভাবিত করে (যেমন: পদার্থের প্রসারণ বা সংকোচন), কিন্তু পদার্থের অবস্থার পরিবর্তন করে না। |
| তাপ (\(Q)\), পদার্থের ভর (\(m)\), তাপধারণ ক্ষমতা \((C)\) ও তাপমাত্রার পরিবর্তনের (\(\Delta T\)) সমানুপাতিক। অর্থাৎ \(Q = C\Delta T\) | তাপমাত্রা একটি একক মান এবং পদার্থের পরিমাণের উপর নির্ভর করে না। |
তাপমাত্রা পরিমাপের নীতি
নিম্নস্থির বিন্দু
স্বাভাবিক চাপে যে তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ বরফ গলতে শুরু করে তাকে নিম্নস্থির বিন্দু বলে।
ঊর্ধ্বস্থির বিন্দু
স্বাভাবিক চাপে যে তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ পানি ফুটতে শুরু করে তাকে ঊর্ধ্বস্থির বিন্দু বলে।
মৌলিক ব্যবধান
থার্মোমিটারের নিম্নস্থির বিন্দু ও ঊর্ধ্বস্থির বিন্দুর মধ্যবর্তী ব্যবধানকে মৌলিক ব্যবধান বলে। বলে।
তাপমাত্রা পরিমাপের নীতির গাণিতিক রূপ
আমরা জানি, তাপমাত্রার পরিবর্তন পদার্থের তাপমিতিক ধর্মের সমানুপাতিক।
ধরি, \(T_{1}\) ও \(T_{2}\) তাপমাত্রায় কোনো একটি পদার্ধের তাপমিতিক ধর্ম
যথাক্রমে \(X_{1}\) ও \(X_{2}\)। তাহলে,
\(T_{2} - T_{1} \propto (X_{2} - X_{1})\)
বা, \(T_{2} - T_{1} = K(X_{2} - X_{1})\)
এখানে, K একটি সমানুপাতিক ধ্রুবক।
যদি থার্মোমিটারের নিম্নস্থির বিন্দু \(T_{ice}\) এবং ঊর্ধ্বস্থির বিন্দু
\(T_{steam}\) তাপমাত্রায় কোনো একটি পদার্থের তাপমিতিক ধর্ম যথাক্রমে
\(X_{ice}\) ও \(X_{steam}\) এবং যেকোনো তাপমাত্রা T তে তাপমিতিক ধর্শ X।
সুতরাং, \(T - T_{ice} = K(X - X_{ice})\) .............. (1)
এরং \(T_{steam} - T_{ice} = K(X_{steam} - X_{ice})\) ........ (2)
সমীকরণ (1) ও (2) থেকে পাই,
\(\frac{T - T_{ice}}{T_{steam} - T_{ice}}= \frac{K(X - X_{ice})}{K(X_{steam}
- X_{ice})}\)
এখানে, \(T_{steam} - T_{ice} = N\)= মৌলিক ব্যধান
\(\therefore\) \( \frac{T - T_{ice}}{N}= \frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} -
X_{ice})}\)
বা, \(T - T_{ice}= \frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times N\)
\(\therefore\) \(T= \frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times N +
T_{ice}\) ......... (3)
সেলসিয়াস স্কেল
মেীলিক ব্যবধান, \(N = 100\) এবং \(T_{ice} = 0^{0} C\)
\(\therefore\) \(T= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times
100]^{0}C\) ......... (4)
ফারেনহাইট স্কেল
মেীলিক ব্যবধান, \(N = 180\) এবং \(T_{ice} = 32^{0} F\)
\(\therefore\) \(T= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times 180
+32]^{0}F\) ......... (5)
কেলভিন স্কেল
মেীলিক ব্যবধান, \(N = 100\) এবং \(T_{ice} = 273 K\)
\(\therefore\) \(T= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times 100
+ 273] K\) ......... (6)
তাপমিতিক ধর্ম হিসেবে X এর পরিবর্তে ,
পারদ থার্মোমিটারে \(X = L\)
স্থির আয়তন গ্যাস থার্মোমিটারে \(X = V\)
স্থির চাপ গ্যাস থার্মোমিটারে \(X = P\)
রোধ থার্মোমিটারে \(X = R\)
তাপ-তড়িৎ থার্মোমিটারে \(X = E\)
ব্যবহার করতে হয়।
সেলসিয়াস, ফারেনহাইট ও কেলভিন স্কেলে তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক
\( \frac{T_{C}}{5} = \frac{T_{F}-32}{9} = \frac{T_{K}-273}{5}\) .........
(7)
সৃজনশীল প্রশ্ন ও সমাধান
একটি ত্রুটিপূর্ণ থার্মোমিটারের পাঠ সাধারণ বায়ুচাপে গলিত বরফে \(2^{0} C\) এবং শুষ্ক বাষ্পে \(96^{0} C\)। থার্মোমিটারটি \(49^{0} C\) পাঠ দেয়।
- ক. থার্মোমিটারের মৌলিক ব্যবধান কি ?
- খ. তাপ ও তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য কি কি ?
- গ. সেলসিয়াস স্কেলে প্রকৃত তাপমাত্রা নির্ণয় কর।
- ঘ. উদ্দীপক অনুসারে ফারেনহাইট ও কেলভিন স্কেলে একই পাঠ পাওয়া যাবে ক-িনা যাচাই কর।
সৃজনশীল প্রশ্নের সমাধান
- ক. উপরে আলোচনা করা হয়েছে
- খ. তাপ ও তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য উপরে আলোচনা করা হয়েছে
- গ. ধরি সেলসিয়াস স্কেলে প্রকৃত তাপমাত্রা = \(T_{C}\) উদ্দীপক হতে পাই,
- ঘ. উদ্দীপক অনুসারে ফারেনহাইট ও কেলভিন স্কেলে একই পাঠ পাওয়া যাবে তা নিচে যাচাই করা হলো: উদ্দীপক হতে পাই,
বরফ বিন্দু, \(T_{ice}= 2^{0}C\)
স্টীম বিন্দু, \(T_{steam}= 96^{0}C\)
তাপমাত্রা, \(X=49^{0}C\)
আমরা জানি,
\(T_{C}= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times 100]^{0}C\)
\(\therefore\) \(T= [\frac{(49 - 2)}{(96 - 2)} \times 100]^{0}C\)
বা, \(T_{C}= [\frac{(47)}{(94)} \times 100]^{0}C\)
বা, \(T_{C}= [\frac{1}{2} \times 100]^{0}C\)
বা, \(T_{C}= 50^{0}C\) (উত্তর)
বরফ বিন্দু, \(T_{ice}= 2^{0}C\)
স্টীম বিন্দু, \(T_{steam}= 96^{0}C\)
ধরি, ফারেনহাইট স্কেলে প্রকৃত তাপমাত্রা = \(T_{K}\)
এবং কেলভিন স্কেলে প্রকৃত তাপমাত্রা = \(T_{K}\) আমরা জানি, \(T_{F}= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times 180 +32]^{0}F\)
\(\therefore\) \(T_{F}= [\frac{(49 - 2)}{(96 - 2)} \times 180 +32]^{0}F\)
\(T_{F}= [\frac{47}{94} \times 180 +32]^{0}F\)
\(T_{F}= [\frac{1}{2} \times 180 +32]^{0}F\)
\(T_{F}= 122^{0}F\)
এবং, \(T_{K}= [\frac{(X - X_{ice})}{(X_{steam} - X_{ice})} \times 100 +273]K\)
\(\therefore\) \(T_{K}= [\frac{(49 - 2)}{(96 - 2)} \times 100 +273]K\)
\(T_{K}= [\frac{47}{94} \times 100 +273]K\)
\(T_{K}= [\frac{1}{2} \times 100 +273]K\)
\(T_{K}= 323K\)
আবার, \(\frac{T_{F}-32}{9} = \frac{T_{K}-273}{5}\)
বা, \(\frac{122-32}{9} = \frac{T_{K}-273}{5}\)
বা, \(\frac{90}{9} = \frac{T_{K}-273}{5}\)
বা, \(10 = \frac{T_{K}-273}{5}\)
বা, \(T_{K}-273=50\)
বা, \(T_{K}=273=50+273\)
বা, \(T_{K}=323 K\)
যেহেতু \(122^{0}F=323K\) সেহেতু ফারেনহাইট ও কেলভিন স্কেলে একই পাঠ পাওয়া যাবে।
উপসংহার: তাপমাত্রা পরিমাপের বিভিন্ন স্কেল এবং নীতিগুলো আমাদের দৈনন্দিন জীবন এবং বিজ্ঞানে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। সেলসিয়াস, ফারেনহাইট এবং কেলভিন স্কেল আমাদের বিভিন্ন পরিবেশ ও বৈজ্ঞানিক প্রয়োজনে তাপমাত্রা নির্ধারণ করতে সহায়ক। তাপ ও তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য বুঝে, মৌলিক ব্যবধানের মাধ্যমে তাপমাত্রা সম্পর্কে সঠিক ধারণা অর্জন করা সম্ভব।