গ্যাস সিস্টেমের তাপগতিবিদ্যা অধ্যয়নের প্রধান বিষয় হল তাপগতিগত অবস্থার পরিবর্তন। এই ধরনের পরিবর্তনের ফলে, গ্যাস কাজ করতে পারে এবং অভ্যন্তরীণ শক্তি সঞ্চয় করতে পারে। আসুন একটি আদর্শ গ্যাসে বিভিন্ন থার্মোডাইনামিক ট্রানজিশন নীচের নিবন্ধে অধ্যয়ন করি। আইসোথার্মাল প্রক্রিয়ার গ্রাফ অধ্যয়নের জন্য বিশেষ মনোযোগ দেওয়া হবে৷
আদর্শ গ্যাস
নাম দ্বারা বিচার করলে, আমরা বলতে পারি যে 100% আদর্শ গ্যাস প্রকৃতিতে নেই। যাইহোক, অনেক বাস্তব পদার্থ ব্যবহারিক নির্ভুলতার সাথে এই ধারণাটিকে সন্তুষ্ট করে।
একটি আদর্শ গ্যাস হল যে কোনো গ্যাস যেখানে এর কণা এবং তাদের আকারের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া উপেক্ষা করা যেতে পারে। উভয় অবস্থাই তখনই সন্তুষ্ট হয় যখন অণুর গতিশক্তি তাদের মধ্যকার বন্ধনের সম্ভাব্য শক্তির চেয়ে অনেক বেশি হবে এবং অণুর মধ্যকার দূরত্ব কণার আকারের চেয়ে অনেক বেশি হবে।
যা তা নির্ধারণ করতেযদি অধ্যয়নের অধীনে গ্যাসটি আদর্শ হয় তবে আপনি একটি সাধারণ নিয়ম ব্যবহার করতে পারেন: যদি সিস্টেমের তাপমাত্রা ঘরের তাপমাত্রার উপরে থাকে, তবে চাপ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ থেকে খুব বেশি আলাদা নয় বা তার চেয়ে কম নয় এবং সিস্টেমটি তৈরি করে এমন অণুগুলি রাসায়নিকভাবে নিষ্ক্রিয়, তাহলে গ্যাসটি আদর্শ হবে৷
মূল আইন
আমরা আদর্শ গ্যাস সমীকরণের কথা বলছি, যাকে ক্ল্যাপেয়ারন-মেন্ডেলিভ আইনও বলা হয়। এই সমীকরণটি XIX শতাব্দীর 30-এর দশকে ফরাসি প্রকৌশলী এবং পদার্থবিদ এমিল ক্ল্যাপেয়ারন লিখেছিলেন। কয়েক দশক পরে, রাশিয়ান রসায়নবিদ মেন্ডেলিভ এটিকে আধুনিক আকারে নিয়ে আসেন। এই সমীকরণটি এরকম দেখাচ্ছে:
PV=nRT.
সমীকরণের বাম দিকে চাপ P এবং আয়তন V এর গুণফল, সমীকরণের ডানদিকে তাপমাত্রা T এবং পদার্থ n-এর পরিমাণ। R হল সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক। মনে রাখবেন T হল পরম তাপমাত্রা, যা কেলভিনসে পরিমাপ করা হয়।
ক্লেপেয়ারন-মেন্ডেলিভ আইনটি প্রথম প্রাপ্ত হয়েছিল পূর্ববর্তী গ্যাস আইনের ফলাফল থেকে, অর্থাৎ, এটি শুধুমাত্র পরীক্ষামূলক ভিত্তির উপর ভিত্তি করে ছিল। আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের বিকাশ এবং তরলের গতি তত্ত্বের সাথে, সিস্টেমের কণাগুলির আণুবীক্ষণিক আচরণ বিবেচনা করে আদর্শ গ্যাস সমীকরণ তৈরি করা যেতে পারে।
আইসোথার্মাল প্রক্রিয়া
এই প্রক্রিয়াটি গ্যাস, তরল বা কঠিন পদার্থে ঘটুক না কেন, এর একটি খুব স্পষ্ট সংজ্ঞা রয়েছে। একটি আইসোথার্মাল ট্রানজিশন হল দুটি অবস্থার মধ্যে একটি রূপান্তর যেখানে সিস্টেমের তাপমাত্রাসংরক্ষিত, অর্থাৎ অপরিবর্তিত থাকে। অতএব, সময়ের অক্ষে (x অক্ষ) - তাপমাত্রা (y অক্ষ) এর আইসোথার্মাল প্রক্রিয়ার গ্রাফ একটি অনুভূমিক রেখা হবে।
একটি আদর্শ গ্যাস সম্পর্কে, আমরা লক্ষ্য করি যে এটির জন্য আইসোথার্মাল পরিবর্তনকে বয়েল-মেরিওট সূত্র বলা হয়। এই আইনটি পরীক্ষামূলকভাবে আবিষ্কৃত হয়েছিল। তদুপরি, তিনি এই অঞ্চলে প্রথম হয়েছিলেন (17 শতকের দ্বিতীয়ার্ধে)। এটি প্রতিটি শিক্ষার্থীর দ্বারা প্রাপ্ত হতে পারে যদি সে একটি ধ্রুবক তাপমাত্রায় (T=const) একটি বন্ধ সিস্টেমে গ্যাসের আচরণ বিবেচনা করে (n=const)। রাষ্ট্রের সমীকরণ ব্যবহার করে, আমরা পাই:
nRT=consst=>
PV=const.
শেষ সমতা হল বয়েল-ম্যারিওট আইন। পদার্থবিদ্যার পাঠ্যপুস্তকে, আপনি এটি লেখার এই ফর্মটিও খুঁজে পেতে পারেন:
P1 V1=P2 V 2.
আইসোথার্মাল স্টেট 1 থেকে থার্মোডাইনামিক স্টেট 2 এ রূপান্তরের সময়, একটি বদ্ধ গ্যাস সিস্টেমের জন্য আয়তন এবং চাপের গুণফল স্থির থাকে৷
অধ্যয়নকৃত আইনটি P এবং V এর মানের মধ্যে বিপরীত সমানুপাতিকতার কথা বলে:
P=const / V.
এর মানে হল একটি আদর্শ গ্যাসে আইসোথার্মাল প্রক্রিয়ার গ্রাফ হবে একটি হাইপারবোলা বক্ররেখা। তিনটি হাইপারবোলা নিচের চিত্রে দেখানো হয়েছে৷
এদের প্রত্যেককে আইসোথার্ম বলা হয়। সিস্টেমে তাপমাত্রা যত বেশি হবে, স্থানাঙ্ক অক্ষ থেকে আইসোথার্ম তত বেশি দূরে থাকবে। উপরের চিত্র থেকে, আমরা উপসংহারে আসতে পারি যে সবুজ সিস্টেমের সর্বোচ্চ তাপমাত্রার সাথে এবং নীল সর্বনিম্ন তাপমাত্রার সাথে মিলে যায়, শর্ত থাকে যে তিনটিতে পদার্থের পরিমাণসিস্টেম একই। যদি চিত্রের সমস্ত আইসোথার্মগুলি একই তাপমাত্রার জন্য নির্মিত হয়, তবে এর অর্থ হল সবুজ বক্ররেখা পদার্থের পরিমাণের দিক থেকে বৃহত্তম সিস্টেমের সাথে মিলে যায়৷
একটি আইসোথার্মাল প্রক্রিয়া চলাকালীন অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন
আদর্শ গ্যাসের পদার্থবিজ্ঞানে, অভ্যন্তরীণ শক্তিকে অণুগুলির ঘূর্ণন এবং অনুবাদমূলক গতির সাথে সম্পর্কিত গতিশক্তি হিসাবে বোঝা যায়। গতি তত্ত্ব থেকে অভ্যন্তরীণ শক্তি U-এর জন্য নিম্নলিখিত সূত্রটি পাওয়া সহজ:
U=z / 2nRT.
যেখানে z হল অণুর অবাধ চলাচলের ডিগ্রির সংখ্যা। এটি 3 (মনাটমিক গ্যাস) থেকে 6 (পলিয়াটমিক অণু) পর্যন্ত।
একটি আইসোথার্মাল প্রক্রিয়ার ক্ষেত্রে, তাপমাত্রা স্থির থাকে, যার অর্থ অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তনের একমাত্র কারণ সিস্টেমে পদার্থের কণার প্রস্থান বা আগমন। এইভাবে, বদ্ধ সিস্টেমে, তাদের রাজ্যে একটি আইসোথার্মাল পরিবর্তনের সময়, অভ্যন্তরীণ শক্তি সংরক্ষিত হয়৷
আইসোবারিক এবং আইসোকোরিক প্রক্রিয়া
বয়েল-মেরিওট আইন ছাড়াও, আরও দুটি মৌলিক গ্যাস আইন রয়েছে যা পরীক্ষামূলকভাবে আবিষ্কৃত হয়েছে। তারা ফরাসি চার্লস এবং গে-লুসাকের নাম বহন করে। গাণিতিকভাবে, এগুলি এভাবে লেখা হয়:
V / T=const যখন P=const;
P / T=const যখন V=const।
চার্লসের সূত্র বলে যে একটি আইসোবারিক প্রক্রিয়ার সময় (P=const) আয়তন পরম তাপমাত্রার উপর রৈখিকভাবে নির্ভর করে। গে-লুসাকের আইন আইসোকোরিক এ চাপ এবং পরম তাপমাত্রার মধ্যে একটি রৈখিক সম্পর্ক নির্দেশ করেট্রানজিশন (V=consst)।
প্রদত্ত সমতা থেকে এটি অনুসরণ করে যে আইসোবারিক এবং আইসোকোরিক ট্রানজিশনের গ্রাফগুলি আইসোথার্মাল প্রক্রিয়া থেকে উল্লেখযোগ্যভাবে পৃথক। আইসোথার্মের যদি হাইপারবোলার আকার থাকে, তাহলে আইসোবার এবং আইসোকোর হল সরলরেখা।
আইসোবারিক-আইসোথার্মাল প্রক্রিয়া
গ্যাস আইন বিবেচনা করার সময়, এটি কখনও কখনও ভুলে যায় যে, T, P এবং V এর মান ছাড়াও, ক্ল্যাপেয়ারন-মেন্ডেলিভ আইনে n-এর মানও পরিবর্তিত হতে পারে। যদি আমরা চাপ এবং তাপমাত্রা ঠিক করি, তাহলে আমরা আইসোবারিক-আইসোথার্মাল ট্রানজিশনের সমীকরণ পাব:
n / V=const যখন T=const, P=const।
পদার্থের পরিমাণ এবং আয়তনের মধ্যে রৈখিক সম্পর্ক নির্দেশ করে যে একই অবস্থার অধীনে, একই পরিমাণ পদার্থ ধারণকারী বিভিন্ন গ্যাস সমান আয়তন দখল করে। উদাহরণস্বরূপ, স্বাভাবিক অবস্থায় (0 oC, 1 বায়ুমণ্ডল), যেকোনো গ্যাসের মোলার আয়তন 22.4 লিটার। বিবেচিত আইনটিকে অ্যাভোগাড্রোর নীতি বলা হয়। এটি আদর্শ গ্যাস মিশ্রণের ডাল্টনের আইনকে অন্তর্নিহিত করে৷
