তাপগতিবিদ্যার একটি গুরুত্বপূর্ণ বিভাগ হল একটি পদার্থের বিভিন্ন পর্যায়ের মধ্যে রূপান্তরের অধ্যয়ন, যেহেতু এই প্রক্রিয়াগুলি অনুশীলনে ঘটে এবং নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে একটি সিস্টেমের আচরণের পূর্বাভাস দেওয়ার জন্য মৌলিক গুরুত্ব বহন করে। এই রূপান্তরগুলিকে বলা হয় ফেজ ট্রানজিশন, যার জন্য নিবন্ধটি উৎসর্গ করা হয়েছে।
একটি ফেজ এবং একটি সিস্টেম উপাদানের ধারণা
পদার্থবিজ্ঞানে ফেজ ট্রানজিশনের বিবেচনায় এগিয়ে যাওয়ার আগে, ফেজের ধারণাটি নিজেই সংজ্ঞায়িত করা প্রয়োজন। সাধারণ পদার্থবিজ্ঞানের কোর্স থেকে জানা যায়, পদার্থের তিনটি অবস্থা রয়েছে: বায়বীয়, কঠিন এবং তরল। বিজ্ঞানের একটি বিশেষ বিভাগে - তাপগতিবিদ্যায় - আইনগুলি পদার্থের পর্যায়গুলির জন্য প্রণয়ন করা হয়, এবং তাদের সমষ্টির অবস্থার জন্য নয়। একটি পর্যায়কে বোঝায় পদার্থের একটি নির্দিষ্ট আয়তন যার একটি সমজাতীয় গঠন রয়েছে, এটি নির্দিষ্ট ভৌত এবং রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য দ্বারা চিহ্নিত করা হয় এবং সীমানা দ্বারা বাকি পদার্থ থেকে পৃথক করা হয়, যাকে বলা হয় ইন্টারফেজ।
এইভাবে, "ফেজ" ধারণাটি বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে অনেক বেশি কার্যত গুরুত্বপূর্ণ তথ্য বহন করেতার একত্রীকরণ অবস্থার চেয়ে ব্যাপার. উদাহরণস্বরূপ, লোহার মতো একটি ধাতুর কঠিন অবস্থা নিম্নলিখিত পর্যায়ে হতে পারে: নিম্ন-তাপমাত্রা চৌম্বকীয় দেহ-কেন্দ্রিক কিউবিক (BCC), নিম্ন-তাপমাত্রা অ-চৌম্বকীয় বিসিসি, মুখ-কেন্দ্রিক ঘনক (fcc), এবং উচ্চ- তাপমাত্রা অ-চৌম্বকীয় বিসিসি।
"ফেজ" ধারণার পাশাপাশি, তাপগতিবিদ্যার সূত্রগুলি "কম্পোনেন্টস" শব্দটিও ব্যবহার করে, যার অর্থ রাসায়নিক উপাদানের সংখ্যা যা একটি নির্দিষ্ট সিস্টেম তৈরি করে। এর মানে হল যে ফেজটি একক উপাদান (1 রাসায়নিক উপাদান) বা বহু উপাদান (বেশ কিছু রাসায়নিক উপাদান) হতে পারে।
গিবসের উপপাদ্য এবং সিস্টেমের পর্যায়গুলির মধ্যে ভারসাম্য
ফেজ ট্রানজিশন বোঝার জন্য, তাদের মধ্যে ভারসাম্যের অবস্থা জানতে হবে। বাহ্যিক প্রভাব থেকে বিচ্ছিন্ন সিস্টেমের মোট গিবস শক্তি পরিবর্তিত হওয়া বন্ধ হয়ে গেলে ভারসাম্য স্থিতিতে পৌঁছে যায় বলে ধরে নিয়ে তাদের প্রত্যেকের জন্য গিবস সমীকরণের সিস্টেমের সমাধান করে এই অবস্থাগুলি গাণিতিকভাবে প্রাপ্ত করা যেতে পারে।
সমীকরণের নির্দেশিত পদ্ধতির সমাধানের ফলে, বিভিন্ন পর্যায়ের মধ্যে ভারসাম্যের অস্তিত্বের জন্য শর্ত প্রাপ্ত হয়: একটি বিচ্ছিন্ন সিস্টেম তখনই বিকশিত হবে যখন চাপ, প্রতিটি উপাদানের রাসায়নিক সম্ভাবনা এবং তাপমাত্রা সব পর্যায়ে একে অপরের সমান।
ভারসাম্যের জন্য গিবস ফেজ নিয়ম
অনেক পর্যায় এবং উপাদান নিয়ে গঠিত একটি সিস্টেম শুধুমাত্র ভারসাম্য বজায় রাখতে পারে নানির্দিষ্ট অবস্থার অধীনে, উদাহরণস্বরূপ, একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রা এবং চাপে। ভারসাম্যের জন্য গিবস উপপাদ্যের কিছু ভেরিয়েবল পরিবর্তন করা যেতে পারে যখন এই ভারসাম্যের মধ্যে থাকা পর্যায়গুলির সংখ্যা এবং উপাদানগুলির সংখ্যা উভয়ই বজায় রেখে। সিস্টেমের ভারসাম্যকে ব্যাহত না করে যে ভেরিয়েবলের সংখ্যা পরিবর্তন করা যায় তাকে এই সিস্টেমের স্বাধীনতার সংখ্যা বলা হয়।
f ফেজ এবং k উপাদান সমন্বিত একটি সিস্টেমের স্বাধীনতা l সংখ্যা গিবস ফেজ নিয়ম থেকে অনন্যভাবে নির্ধারিত হয়। এই নিয়মটি গাণিতিকভাবে এইভাবে লেখা হয়: l + f=k + 2। এই নিয়মটি দিয়ে কীভাবে কাজ করবেন? খুব সহজ. উদাহরণস্বরূপ, এটি জানা যায় যে সিস্টেমটি f=3 ভারসাম্য পর্যায়গুলি নিয়ে গঠিত। এই ধরনের সিস্টেমে ন্যূনতম কতগুলি উপাদান থাকতে পারে? আপনি নিম্নোক্তভাবে যুক্তি দিয়ে প্রশ্নের উত্তর দিতে পারেন: ভারসাম্যের ক্ষেত্রে, সবচেয়ে কঠোর শর্ত বিদ্যমান থাকে যখন এটি শুধুমাত্র নির্দিষ্ট সূচকগুলিতে উপলব্ধি করা হয়, অর্থাৎ, যে কোনও তাপগতিগত পরামিতির পরিবর্তন ভারসাম্যহীনতার দিকে পরিচালিত করবে। এর মানে হল স্বাধীনতার সংখ্যা l=0। l এবং f-এর পরিচিত মানগুলিকে প্রতিস্থাপন করে, আমরা k=1 পাই, অর্থাৎ, এমন একটি সিস্টেম যেখানে তিনটি পর্যায় ভারসাম্যের মধ্যে একটি উপাদান থাকতে পারে। একটি প্রধান উদাহরণ হল জলের ট্রিপল বিন্দু, যেখানে বরফ, তরল জল এবং বাষ্প নির্দিষ্ট তাপমাত্রা এবং চাপে ভারসাম্য বজায় রাখে।
ফেজ রূপান্তরের শ্রেণীবিভাগ
যদি আপনি ভারসাম্যের একটি সিস্টেমে কিছু থার্মোডাইনামিক পরামিতি পরিবর্তন করতে শুরু করেন, আপনি লক্ষ্য করতে পারেন কিভাবে একটি পর্যায় অদৃশ্য হয়ে যাবে এবং অন্যটি উপস্থিত হবে। এই প্রক্রিয়ার একটি সাধারণ উদাহরণ হল বরফ গলে যাওয়া যখন এটি উত্তপ্ত হয়।
প্রদত্ত যে গিবস সমীকরণ শুধুমাত্র দুটি ভেরিয়েবলের (চাপ এবং তাপমাত্রা) উপর নির্ভর করে, এবং ফেজ ট্রানজিশন এই ভেরিয়েবলের পরিবর্তনের সাথে জড়িত, তাহলে গাণিতিকভাবে পর্যায়গুলির মধ্যে রূপান্তরটি গিবস শক্তিকে তার সাপেক্ষে পার্থক্য করে বর্ণনা করা যেতে পারে। ভেরিয়েবল এই পদ্ধতিটিই অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ পল এহরেনফেস্ট 1933 সালে ব্যবহার করেছিলেন, যখন তিনি সমস্ত পরিচিত থার্মোডাইনামিক প্রক্রিয়াগুলির একটি শ্রেণীবিভাগ সংকলন করেছিলেন যা ফেজ ভারসাম্যের পরিবর্তনের সাথে ঘটে।
তাপগতিবিদ্যার মূল বিষয়গুলি থেকে এটি অনুসরণ করে যে তাপমাত্রার ক্ষেত্রে গিবস শক্তির প্রথম ডেরিভেটিভ সিস্টেমের এনট্রপির পরিবর্তনের সমান। চাপের ক্ষেত্রে গিবস শক্তির ডেরিভেটিভ আয়তনের পরিবর্তনের সমান। যদি, যখন সিস্টেমের পর্যায়গুলি পরিবর্তিত হয়, এনট্রপি বা ভলিউম একটি বিরতি ভোগ করে, অর্থাৎ, তারা হঠাৎ পরিবর্তন করে, তাহলে তারা একটি প্রথম-ক্রম পর্যায় পরিবর্তনের কথা বলে।
আরও, তাপমাত্রা এবং চাপের ক্ষেত্রে গিবস শক্তির দ্বিতীয় ডেরিভেটিভগুলি হল যথাক্রমে তাপ ক্ষমতা এবং ভলিউমেট্রিক প্রসারণের সহগ। যদি পর্যায়গুলির মধ্যে রূপান্তর নির্দেশিত ভৌত পরিমাণের মানগুলির একটি স্থবিরতার সাথে থাকে, তবে কেউ একটি দ্বিতীয়-ক্রম পর্যায় পরিবর্তনের কথা বলে৷
পর্যায়গুলির মধ্যে রূপান্তরের উদাহরণ
প্রকৃতিতে প্রচুর পরিমাণে বিভিন্ন পরিবর্তন রয়েছে। এই শ্রেণীবিভাগের কাঠামোর মধ্যে, প্রথম ধরণের পরিবর্তনের আকর্ষণীয় উদাহরণ হল ধাতু গলানোর প্রক্রিয়া বা বায়ু থেকে জলীয় বাষ্পের ঘনীভবন, যখন সিস্টেমে ভলিউম জাম্প হয়।
যদি আমরা সেকেন্ড-অর্ডার ট্রানজিশনের কথা বলি, তাহলে উল্লেখযোগ্য উদাহরণ হল তাপমাত্রায় চৌম্বক থেকে প্যারাম্যাগনেটিক অবস্থায় লোহার রূপান্তর।768 ºC বা পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রায় একটি ধাতব পরিবাহীর একটি অতিপরিবাহী অবস্থায় রূপান্তর।
সমীকরণ যা প্রথম ধরণের রূপান্তর বর্ণনা করে
অভ্যাসে, এটি প্রায়শই জানা দরকার যে কীভাবে একটি সিস্টেমে তাপমাত্রা, চাপ এবং শোষিত (মুক্ত) শক্তি পরিবর্তন হয় যখন ফেজ রূপান্তর ঘটে। এই উদ্দেশ্যে দুটি গুরুত্বপূর্ণ সমীকরণ ব্যবহার করা হয়। এগুলি তাপগতিবিদ্যার বুনিয়াদি জ্ঞানের উপর ভিত্তি করে প্রাপ্ত হয়:
- ক্লেপিরনের সূত্র, যা বিভিন্ন পর্যায়ের পরিবর্তনের সময় চাপ এবং তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক স্থাপন করে।
- ক্লাসিয়াস সূত্র যা রূপান্তরের সময় শোষিত (মুক্ত) শক্তি এবং সিস্টেমের তাপমাত্রাকে সংযুক্ত করে।
উভয় সমীকরণের ব্যবহার শুধুমাত্র ভৌত পরিমাণের পরিমাণগত নির্ভরতা অর্জনে নয়, ফেজ ডায়াগ্রামে ভারসাম্য বক্ররেখার ঢালের চিহ্ন নির্ধারণেও।
দ্বিতীয় ধরণের রূপান্তর বর্ণনা করার জন্য সমীকরণ
1ম এবং 2য় ধরণের ফেজ ট্রানজিশনগুলিকে বিভিন্ন সমীকরণ দ্বারা বর্ণনা করা হয়েছে, যেহেতু দ্বিতীয় ক্রম পরিবর্তনের জন্য ক্লসিয়াস এবং ক্লসিয়াস সমীকরণের প্রয়োগ গাণিতিক অনিশ্চয়তার দিকে নিয়ে যায়৷
পরবর্তীটি বর্ণনা করার জন্য, Ehrenfest সমীকরণগুলি ব্যবহার করা হয়, যা রূপান্তর প্রক্রিয়া চলাকালীন তাপ ক্ষমতা এবং ভলিউমেট্রিক প্রসারণের সহগ পরিবর্তনের জ্ঞানের মাধ্যমে চাপ এবং তাপমাত্রার পরিবর্তনের মধ্যে একটি সম্পর্ক স্থাপন করে। চৌম্বক ক্ষেত্রের অনুপস্থিতিতে কন্ডাক্টর-সুপারকন্ডাক্টর ট্রানজিশন বর্ণনা করতে এহরেনফেস্ট সমীকরণ ব্যবহার করা হয়।
গুরুত্বফেজ ডায়াগ্রাম
ফেজ ডায়াগ্রাম হল সেই ক্ষেত্রগুলির একটি গ্রাফিক উপস্থাপনা যেখানে সংশ্লিষ্ট পর্যায়গুলি সাম্যাবস্থায় বিদ্যমান। এই অঞ্চলগুলি পর্যায়গুলির মধ্যে ভারসাম্য রেখা দ্বারা পৃথক করা হয়। P-T (চাপ-তাপমাত্রা), T-V (তাপমাত্রা-ভলিউম), এবং P-V (চাপ-ভলিউম) ফেজ ডায়াগ্রাম প্রায়শই ব্যবহৃত হয়।
ফেজ ডায়াগ্রামের গুরুত্ব এই সত্যে নিহিত যে তারা আপনাকে ভবিষ্যদ্বাণী করতে দেয় যে সিস্টেমটি কোন পর্যায়ে থাকবে যখন বাহ্যিক অবস্থা সেই অনুযায়ী পরিবর্তিত হবে। পছন্দসই বৈশিষ্ট্য সহ একটি কাঠামো পেতে এই তথ্যটি বিভিন্ন উপকরণের তাপ চিকিত্সায় ব্যবহৃত হয়৷
