তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএ ( 2nd law of Thermodynamics)

তাপগতিবিদ্যার ১ম সূএে আমরা জেনেছি , তাপকে কাজে এবং কাজকে তাপে রুপান্তরিত করা সম্ভব এবং যেকোন শক্তি রুপান্তরের ক্ষেএে মোট শক্তি সংরক্ষিত থাকে। তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএ মুলত ১ম সূএের একটি সংশোধিত রুপ বলা যায়।

তাপ স্বাভাবিকভাবেই উষ্ণ বস্তুু থেকে কম উষ্ণ বস্তুুতে সঞ্চালিত হয় যতক্ষণ না পর্যন্ত তাদের তাপমাত্রা সমান হয় এবং তাপমাত্রা সমান হলে তাপ সঞ্চালন বন্ধ হয়ে যায়।

আবার কোন কাজ বা শক্তির তাপে পরিনত করা একটি স্বাভাবিক প্রক্রিয়া কিন্তুু তাপশক্তিকে অন্য শক্তিতে রুপান্তরের স্বাভাবিক প্রবণতা নেই। তাই তাপকে সম্পূর্ণরুপে কাজে পরিনত করা সম্ভব নয়। যেমন: 

আমরা হাতের তালু ঘসলে যান্ত্রিক শক্তি তাপশক্তিতে রুপান্তরিত হয় কিন্তুু এই তাপশক্তিকে আবার কাজে পরিনত করা যায় না। মুলত এসব বাস্তব ধারনা থেকেই তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএের অবতারণা। তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএকে বিভিন্ন বিজ্ঞানী বিভিন্নভাবে বিবৃত করেছেন। এর মধ্যে প্লাংক,কেলভিন এবং ক্লসিয়াসের বিবৃতি সবচেয়ে প্রসিদ্ধ

। নিচে মতবাদগুলো দেওয়া হলো :

1.প্লাংকের মতবাদ:

এমন একটি ইঞ্জিন পরিকল্পনা করা কখনোই সম্ভব নয়,যার পূর্ন আর্বতনে কেবল একটি তাপীয় উৎস হতে তাপ সংগৃহীত হবে এবং অন্যএ কোন পরিবর্তন ব্যাতীত সংগৃহীত তাপের সবটুকুই কাজে পরিনত করা যাবে।

প্লাংকের মতবাদে পূর্ন আবর্তন ও অন্যএ পরিবর্তন -  এর উপর বিশেষ গুরুত্ব আরোপ করা হয়েছে। এক্ষেত্রে ইঞ্জিনের দৃষ্টিকোন থেকে সূএকে প্রকাশ করা হয়েছে। ইঞ্জিন যদি প্রাথমিক অবস্থায় প্রত্যাবর্তন না করে, তবে গৃহীত তাপ সম্পূর্ণরুপে কাজে পরিনত করতে পারে।

2.কেলভিনের মতবাদ:

কোন বস্তুু বা উৎস হতে তাপ সংগ্রহ করার ফলে যখন এর তাপমাত্রা পারিপার্শ্বিকের বস্তুুগুলোর মধ্যে শীতলতম তাপমাত্রা অপেক্ষাও কম হয় তখন আর কোন যান্ত্রিক ব্যাবস্থার সাহায্যেই (ইঞ্জিন কতৃর্ক) তা হতে তাপ সংগ্রহ করে কাজ করা সম্ভব নয়।

অর্থাৎ কোন উৎস হতে তাপ গ্রহন করে ইঞ্জিন চালনা করা ততক্ষণই সম্ভব যতক্ষণ ঐ উৎস হতে কম তাপমাত্রার আর একটি উৎস বর্তমান। এক্ষেত্রেও ইঞ্জিনের দৃষ্টিকোণ থেকে ২য় সূএ প্রকাশ করা হয়েছে।

3.ক্লসিয়াসের মতবাদ :

কোন যন্ত্রের পক্ষেই বাইরের জগতে পরিবর্তন সৃষ্টি ব্যাতীত এর পূর্ন আবর্তনে একটি তাপীয় উৎস হতে তাপ সংগ্রহ করে ঐ তাপ উষ্ণতর অন্য কোন বস্তুুতে চালনা করা সম্ভব নয়।

অর্থাৎ বাইরে থেকে কাজ না করলে কোন যন্ত্রের পক্ষেই শীতল বস্তুু হতে উষ্ণতর বস্তুুতে তাপ চালনা কর সম্ভব নয়। বিজ্ঞানী ক্লসিয়াস হিমায়কের দৃষ্টিকোণ থকে তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএকে বিবৃত করেছেন।

তাপগতিবিদ্যার ২য় সূএ বিভিন্নভাবে বিবৃত হলেও প্রত্যেকটি মুলত একই ধারনাকে সমর্থন করে। আরো কিছু জেনে নাও,

1. সমোষ্ণ প্রক্রিয়া (Isothermal Process):

যে প্রক্রিয়ায় কোন সিস্টেমের তাপমাত্রা স্থির রেখে চাপ ও আয়তন পরিবর্তন হয় তাকে সমোষ্ণ প্রক্রিয়া বলে।

এই প্রক্রিয়া একটি ধীর প্রক্রিয়া ও পাএের দেওয়াল থাকে সুপরিবাহী। পরিবেশের সাথে তাপ আদান -প্রদানের সুযোগ পায়। এটি মুলত বয়েলের গ্যাসের সূএ।

2. রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া (Adiabatic Process):

যে প্রক্রিয়ায় কোন সিস্টেমের চাপ, আয়তন ও তাপমাত্রার কোন পরিবর্তন হয় কিন্তুু পরিবেশের সাথে তাপের আদান-প্রদান হয় না তাকে রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া বলে।

এই প্রক্রিয়া একটি দ্রুত প্রক্রিয়া। পাএের দেয়াল যথাসম্ভব কুপরিবাহী তৈরি করতে হয়।

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূএ(First law of thermodynamics)

তাপগতিবিদ্যার ১ম সূএ জানতে হলে প্রথমেই জানতে হবে নিচের কয়েকটি বিষয়। যেমন:

সিস্টেম ও পরিবেশ :

পদার্থের যে নিদিষ্ট অংশকে আলাদা করে নিয়ে পরীক্ষা -নিরীক্ষা চালানো হয় তাকে সিস্টেম বলে। আর সিস্টেমের চারপাশের স্থানকে বলা হয় পরিবেশ। 

তাপ :

তাপ হচ্ছে এক প্রকার শক্তি যা ঠাণ্ডা বা গরমের অনুভুতি জাগায়। আর শক্তির বিনিময়ে কাজ করা যায়। সুতরাং তাপের বিনিময়ে কাজ করা যায়। 

তাপমাত্রা :

তাপমাত্রা হচ্ছে কোন বস্তুুর তাপীয় অবস্থা যা নির্ধারণ করে ঐ বস্তুুর সংস্পর্শে অন্য কোন বস্তুু আনলে তাপ গ্রহন করবে না তাপ বর্জন করবে। সুতরাং তাপমাত্রা ও তাপ সমান নয়।কোন বস্তুুতে তাপ ও তাপমাত্রা ভিন্ন তবে এরা সমানুপাতিক।

অভ্যন্তরীণ শক্তি বা অন্তঃস্থ শক্তি ( Internal energy):

শক্তির বিনিময়ে কাজ সাধিত হয়। কোন বস্তুু বা সিস্টেমের সামগ্রিকভাবে যে গতিশক্তি ও বিভবশক্তি থাকে তাকে ঐ বস্তুু বা সিস্টেমের বহিঃস্থ শক্তি বলে। কিন্তু আমরা জানি, প্রত্যেকটি বস্তুুই কনা দ্বারা গঠিত এই কনা গুলো প্রত্যেকই নিজ অবস্থানে কম্পমান। তাই কনাগুলো যেহেতু কম্পমান তাই এদের বিভবশক্তি ও গতিশক্তি আছে। এই বিভবশক্তি ও গতিশক্তির সমষ্টিকে অভ্যন্তরীণ শক্তি বলে। আদর্শ গ্যাসের ক্ষেএে অনুগুলোর কোন আকর্ষণ বল থাকে না, তাই সেক্ষেএে সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তি অনুগুলোর মোট গতিশক্তির সমান।তাই আয়তন বাড়লে অনুসমূহের আকর্ষণ কমে যায় তাই তাপমাত্রাও কমে যায়। আয়তন বাড়লে আকর্ষণ বৃদ্ধি পায় তাই তাপমাত্রাও বৃদ্ধি পায়। গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি শুধু গ্যাসের তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, চাপ ও আয়তনের উপর নির্ভর করে না।

শক্তির নিত্যতা সূএ হতে আমরা জানি,

শক্তি রুপান্তরের সময় মোট শক্তির কোন পরিবর্তন হয় না। তাপ গতিবিদ্যার প্রথম সূএ মুলত শক্তির নিত্যতা সূএের একটি বিশেষ রুপ।

1847 সালে বিজ্ঞানী জুল কাজ ও তাপের মাঝে একটি সম্পর্ক স্থাপন করেন। সম্পর্কটি হচ্ছে,

যদি তাপকে সম্পূর্ণরুপে কাজে বা কাজকে সম্পূর্ণরুপে তাপে পরিনত করা যায়,তবে কাজ তাপের সমানুপাতিক।

এটি তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূএ। গাণিতিকভাবে নিচে দেওয়া হলো, কোন সিস্টেমের উপর W পরিমাণ কাজ করলে যদি Q পরিমান তাপ উৎপন্ন হয়। তবে জুলের সূএানুসারে,

      Q ~W

বা, Q = JW

এখানে, J একটি সমানুপাতিক ধ্রুবক। একে তাপের যান্ত্রিক সমতা বলে।।পরীক্ষার মাধ্যমে দেখা যায়, কাজকে জুল ও তাপকে ক্যালোরি এককে ধরলে,  J =4.2 J/Cal কিন্তুু  উভয়কে জুল এককে ধরলে J =1 হয়।

কিন্তুু বিজ্ঞানী ক্লসিয়াসের মতে কোন সিস্টেমে তাপ প্রদান করা হলে তার সম্পূর্ণটাই কাজে পরিণত হয় না, কিছু পরিমান কাজ কাজে পরিনত হয় ও বাকীটা কাজে পরিনত হয়। তাই তার মতে সূএটি এরকম, সিস্টেমের উপর  Q পরিমান তাপ প্রদান করা হলে তার অভ্যন্তরীন শক্তি U পরিমান বৃদ্ধি হলে কৃতকাজ W হলে,

Q = U + W

এখানে একটি বিষয় লক্ষণীয় যে, সিস্টেম পরিবেশের উপর কাজ করলে কাজ ধনাত্মক কিন্তুু পরিবেশ সিস্টেমের উপর কাজ করলে কাজ ঋণাত্মক হবে।

পানির বিশুদ্ধতা (Purity of water)

পানিতে পর্যাপ্ত পরিমাণে Ca,Mg,Al ও Fe আয়ন দ্রবীভূত থাকলে ঐ পানিকে খর পানি বলে।পানির খরতা থাকলে ঐ পানিতে সাবানের অপচয় ঘটে। পানির খরতা দু’ প্রকার। যেমন:

1. স্থায়ী খরতা

2.অস্থায়ী খরতা,

1.অস্থায়ী খরতা :

পানিতে যদি Ca,Mg,Al ও Fe আয়নের বাইকার্বনেট মিশ্রিত থাকে তবে সেই পানির খরতাকে অস্থায়ী খরতা বলে।

এই অস্থায়ী খরতাকে তাপ দিয়ে উচ্চতাপে উওপ্ত করলে বাইকার্বনেট লবন তাপে বিয়োজিত হয়ে অদ্রবণীয় কার্বনেটরূপে অধঃক্ষিপ্ত হয়। তখন অস্থায়ী খর পানি মৃদু পানিতে পরিণত হয়,খরতা দূর হয়।

2.স্থায়ী খরতা :

পানিতে Al,Mg,Fe ও Ca আয়নের ক্লোরাইড,সালফেট ও কার্বনেট যুক্ত থাকলে সে পানিকে স্থায়ী খরতা বলে।

এক্ষেত্রে সাধারনভাবে তাপ দিলে পানির খরতা যায় না। যদি এই পানির সাথে সোডিয়াম কর্বনেট যোগ করে কিছুক্ষণ রাখা হয় তবেই পানির স্থায়ী খরতা দূর হয়।

★ পানির pH : 

পানিতে উপস্থিত H+ আয়নের ঘনমাত্রার ঋণাত্মক লগারিদমকে ঐ পানির pH বলে।

আমরা জানি,

বিশুদ্ধ পানির pH এর মান 7। কিন্তুু ভূপৃষ্ঠের পানিতে কার্বনিক এসিড থাকায়  pH এর মান 6 -6.5 হয়। WHO এর মানদন্ড মতে, 25 degree সেলসিয়াস তাপমাত্রায় পানযোগ্য পানির pH সীমা 6.5 - 8.5 এর মধ্যে থাকতে হবে। জলজ প্রানির জন্য অনুকুল pH হলো 7 - 7.5;

 

★ পানি দূষনের মাএা সাধারনত 4 টি প্রক্রিয়ায় নির্নয় করা হয়।

1. পানির DO, 

2. পানির BOD

3. পানির COD 

4. পানির TDS

1.পানির DO : 

কোন নমুনা পানিতে অক্সিজেনের শনাক্তকরণে ঐ পানিতে দ্রবীভূত অক্সিজেনের পরিমাণকে ঐ পানির DO (Dissolved oxygen) বলে। 

 

15 degree সেলসিয়াস তাপমাত্রার পানিতে DO এর মান ধরা হয়, 10 mg/L বা 10 ppm [ppm=parts per million বা per pico memetre = 10^-12 m]

♦ পানির DO এর মান নির্নয় :

পানিতে ইলেক্টোড ডুবিয়ে মিটারের সাহায্য  পানির DO নির্নয় করা হয়। এছাড়া উইঙ্কলার ও আয়োডোমিতিক পদ্ধতিতে এর মান নির্নয় করা হয়। পানিতে DO এর মান 5 mg/L এর বেশি থাকতে হয়। নদীর মোহনায় DO এর মান 6 mg/L এর বেশি হয়। 

2.পানির BOD :

পানিতে উপস্থিত পচনশীল জৈব দূষকে O2 দ্বারা জারিত করতে যে পরিমান ঐ পানির DO থেকে O2 ব্যায়িত হয়,তাকে ঐ পানির BOD বা (Biochamical Oxygen  Demand) বা জৈব রাসায়নিক অক্সিজেন চাহিদা বলে।

♦ পানিতে BOD এর মান নির্নয় :

প্রথমে পানিতে ইলেক্টেড ডুবিয়ে initial DO নির্নয় করা হয়। এরপর পানিকে বোতলের মধ্যে রেখে দিয়ে 4-5  দিন রেখে দিয়ে ব্যাকটেরিয়া দ্বারা বিয়োজিত করে  তারপর  পানির final DO নির্নয় করা হয়। তাহলে পানির BOD হবে,

[ BOD = initial DO - final DO]

WHO এর মতে পানির BOD এর মান 6 এর কম হলে ভালো। এর বেশি হলে পানির দূষনমাএা খারাপ ধরা হয়। নিচে BOD এর বিভিন্ন মান ও পানির অবস্থা দেওয়া হলো :

3. পানির COD :

কোন নমুনা পানিতে উপস্থিত পচনশীল বা অপচনশীল জৈব দূষককে ঐ পানিতে উপস্থিত DO এর অক্সিজেন দ্বারা জারিত করতে যে পরিমাণ অক্সিজেন দরকার হয় তাকে ঐ পানির COD বা (Chemical Oxygen Demand) বা রাসায়নিক অক্সিজেন চাহিদা বলে।

♦ COD এর মান নির্নয় : 

সূএের সাহায্যে COD এর মান নির্নয় করা হয়।

4.পানির TDS :

কোন নমুনা পানিতে উপস্থিত সকল জৈব অজৈব রাসায়নিক কনা (Ca,Na,K,PO4,NO3,Cl) এর সামগ্রিক পরিমান দ্বারা TDS বা ( Total dissolved solids) বা সমগ্র দ্রবীভূত কঠুন বস্তুু  বোঝানো হয়।

WHO এর অনুমোদিত পানির গ্রহণযোগ্য মানদণ্ড দেওয়া হলো :

বয়েল ও চার্লসের গ্যাসের সূএ(Boyle &Charles law)

1. বয়েলের সূএ(Boyles law):

          বিজ্ঞানী টারসেলি ব্যারোমিটার আবিষ্কার করার পর ইংরেজ রসায়নবিদ রর্বাট বয়েল তাপমাত্রা স্থির রেখে বিভিন্ন গ্যাসের আয়তনের উপর চাপের প্রভাব সম্পর্কে  গবেষনা করেন। তার গবেষনার ফলাফল 1660 সালে প্রকাশ করেন যাকে বয়েলের সূএ বলে।

সূএ: স্থির তাপমাত্রায় নির্দিষ্ট ভরের কোন গ্যাসের আয়তন ঐ গ্যাসের উপর প্রযুক্ত চাপের ব্যাস্তানুপাতিক।

ব্যাখা : স্থির তাপমাত্রায় (T) নিদিষ্ট মোল (n) পরিমান বা ভরের কোন গ্যাসের উপর প্রযুক্ত চাপ (P) এবং এর আয়তন (V) হলে,

এক্ষেত্রে তাপমাত্রা ও মোল স্থির ধরা হয়েছে,

★লেখচিত্রের সাহায্য বয়েলের সূএের ব্যাখা : 

★ আয়তন (v) বনাম চাপ (p):

নিদিষ্ট তাপমাত্রায় নিদিষ্ট ভরের কোন গ্যাসের উপর বিভিন্ন চাপ প্রয়োগ করে লিপিবদ্ধ করলে X -অক্ষকে চাপ (p) ও Y- অক্ষকে আয়তন (v) ধরে লেখচিত্র অঙ্কন করলে নিচের ন্যায় লেখচিত্র পাওয়া যায়,

★ আয়তন (v) বনাম P^-1 লেখচিত্র হবে :

★  PV বনাম P এর লেখচিত্র হবে :

স্থির তাপমাত্রায় এ প্রক্রিয়া সম্পন্ন হয় বলে এই সকল লেখকে সমতাপীয় (isothermal) রেখা বলা হয়.

2.চার্লসের সূএ (Charles law):

            1787 সালে ফ্রান্স বিজ্ঞানী চার্লস ও 1802 সালে গে-লুসাগ পৃথকভাবে তাপমাত্রার সাথে গ্যাসের আয়দন সম্পর্কে জানতে পরেন।চার্লসের সূএে চাপ স্থির।

সূএ: স্থির চাপে নির্দিষ্ট ভরের কোন গ্যাসের আয়তন এর পরম তাপমাত্রা বা কেলভিন তাপমাত্রার সমানুপাতিক।

ব্যাখা : 

স্থির চাপে (p) নির্দিষ্ট পরিমাণ মোল(n) কোন গ্যাসের কেলভিন তাপমাত্রা (T) ও আয়তন (V) হলে,

★ লেখের সাহায্য :

      বিভিন্ন স্থির চাপে এসব লেখকে চার্লসের সূএের সমচাপীয় লেখ বা আইসোবার (isobar) বলে।

 X -অক্ষে কেলভিন তাপমাত্রা ও Y-অক্ষে আয়তনের বিভিন্ন মান বসালে নিচের মতো লেখ পাওয়া যায়;

এসিড-ক্ষার তও্ব(Theory of Acid-base)

প্রাচীন বা সনাতন প্রথায় এসিড-ক্ষারের কিছু সংজ্ঞা আছে। নিচে দেওয়া হলো:

1.অম্ল(acid) : অম্ল হচ্ছে সেইসব H যুক্ত যৌগ, যার H পরমানুকে আংশিক বা পূর্ণভাবে কোন ধাতব পরমানু দ্বারা প্রতিস্থাপন করা যায় এবং যারা ক্ষারের সাথে বিক্রয়া করে লবন ও পানি উৎপন্ন করে।

2.ক্ষারক(Base): ক্ষারক হচ্ছে ধাতুর অক্সাইড বা হাইড্রোক্সাইড যারা অম্লের সাথে বিক্রয়া করে লবন ও পানি তৈরি করে।  

★ ক্ষার: ক্ষার হচ্ছে ধাতুর হাইড্রোক্সাইড যারা পানিতে দ্রবীভূত হয় এবং OH আয়ন উৎপন্ন করে।

★অ্যরিনিয়াসের এসিড-ক্ষার তও্ব:

বিজ্ঞানী অ্যারেনিয়াস যৌগের আনবিক সংকেত ও পানিতে এদের আচরণের ওপর ভিওি করে অম্ল এবং ক্ষারের শ্রেনিবিভাগ করেন। অ্যরিনিয়াসের মতবাদ অনুসারে, 

এসিডের সংজ্ঞা : 

এসিড বা অম্ল হচ্ছে হাইড্রোজেন যুক্ত যৌগ, যারা জলীয় দ্রবনে হাইড্রোজেন আয়ন তৈরি করে বা দান করে।

ক্ষারকের সংজ্ঞা : 

ক্ষারক হচ্ছে সেসব যৌগ, যারা জলীয় দ্রবনে হাইড্রোক্সিল আয়ন তৈরি করে বা দান করে।

 

★অ্যারেনিয়াস তও্বের সাফল্য :

১. জলীয় দ্রবনে এসিড ও ক্ষারকের বিক্রয়ায় অ্যারেনিয়াস মতবাদ খুবই কার্যকর।

২.কোন জলীয় দ্রবন অম্লীয় বা ক্ষারীয় হওয়ার কারন ব্যাখা করা যায়।

৩.অম্ল ও ক্ষারকের তীব্রতাকে বিয়োজন ধ্রুবকের মাধ্যমে ব্যাখা করা যায়।

৪. প্রশমন তাপের মান 57.34 kj/m হওয়ার কারন ব্যাখা করা যায়।

★অ্যারেনিয়াস মতবাদের সীমাবদ্ধতা :

১.এই মতবাদ অজলীয় দ্রবনে মোটেও কার্যকরী নয়।

২.গ্যাসীয় অবস্থায় কোন যৌগের অম্ল -ক্ষার ধর্ম ব্যাখা করতে অসমর্থ।

৩. ধাতব অক্সাইডের ক্ষার ধর্ম ব্যাখা করতে অসমর্থ।

★ ব্রনস্টেড লাউরির মতবাদ বা প্রোটনীয় মতবাদ :

1923 সালে ডেনমার্কের রসায়নবিদ জোহান্স ব্রনস্টেড ও ইংরেজ রসায়নবিদ থমাস লাউরি পৃথকভাবে এসিড বা ক্ষারের জন্য এক তও্ব উপস্থাপন করেন। এটিকে এসিড ক্ষারকের ব্রনস্টেড লাউরি মতবাদ বলে।

★ অম্ল : অম্ল হলো এমন একটি যৌগ বা আয়ন, যা অন্য পদার্থকে প্রোটন দান করতে পারে।

★ ক্ষারক: ক্ষারক হলো এমন একটি যৌগ বা আয়ন, যা অম্ল হতে প্রোটন গ্রহন করতে পারে।

অর্থাৎ সংক্ষেপে অম্ল হলো প্রোটন দাতা এবং ক্ষারক হলো প্রোটন গ্রহীতা। এরা আধানবিহীন যৌগ অথবা ধনাত্মক বা ঋণাত্মক  আধানবিশিষ্ট হতে পারে।একে অম্ল ক্ষারকের প্রোটনীয় তও্ব বলা হয়।

কাজ,ক্ষমতা ও শক্তি(Work, Power & Energy)

কাজ(work)

       সাধারণভাবে কোন কিছু করাকে কাজ বলে। কিন্তু পদার্থবিজ্ঞানে একে কাজ বলে না কাজ হওয়ার জন্য কিছু শর্ত আছে। যেমন:

কাজ হতে হলে অবশ্যই বল প্রয়াগ করলে বস্তুুর সরন ঘটলে তখনই কেবল কাজ হয়।

কোন বস্তুুর উপর বল প্রয়োগে বস্তুুর সরন ঘটলে প্রযুক্ত বল ও বলের অভিমুখে সরনের উপাংশের গুণফলকে কাজ বলে। অর্থাৎ

কাজ = বল x বলের দিকে সরনের উপাংশ

বা, W= Fs.cos@   

[ থিটা এর পরিবর্তে @ চিহ্ন ]

কাজ একটি স্কেলার রাশি কারন দুইটি ভেক্টর রাশি   F আর s এর ডট গুনফল গুনফলের মান একটি স্কেলার রাশি। ডট গুনফল একটি স্কেলার গুণন। তাই কাজ একটি স্কেলার রাশি।

a. বলের দ্বারা কাজ :

       কোন বস্তুুর উপর বল প্রয়োগে বলের প্রয়োগবিন্দু তার অভিমুখে সরে যায় বা বলের দিকে সরনের উপাংশ থাকে, তাহলে বলের দ্বারা কাজ বুঝায়। এক্ষেএে বলের দ্বারা কাজ ধনাত্মক কাজ। বলের দিকে কাজ হলে স্থিতিশক্তি হ্রাস পায়,গতিশক্তি বৃদ্ধি পায়। কাজ সর্বোচ্চ হবে যদি বল ও সরনের মধ্যবর্তী কোন 0 degree  হয়।

b. বলের বিরুদ্ধে কাজ :

           কোন বস্তুুর উপর বল প্রয়োগে যদি সরন বলের বিপরীত দিকে হয় অর্থাৎ  বলের অভিমুখের বিপরীত দিকে বলের প্রয়োগবিন্দু সরে যায় সেক্ষেত্রে, বলের বিরুদ্ধে কাজ হয়।এক্ষেত্রে বলের বিপরীতে কাজ ঋণাত্মক। বলের বিপরীতে কাজ হলে বিভবশক্তি বা স্থিতিশক্তি বৃদ্ধি  পায়। কাজ সর্বনিম্ন হবে যদি বল ও সরনের মধ্যবর্তী কোন 180 degree হয়।

c. শূন্য কাজ বা কার্যহীন বল :

       কোন বস্তুুর উপর বল প্রয়োগে যদি সরন লম্বভাবে ঘটে কৃতকাজ শূন্য হয়। এক্ষেত্রে সরনের অভিমুখে বলের উপাংশ শূন্য। বল প্রয়োগে বস্তুুর সরন বলের অভিমুখ সমকোণে ঘটে  তাকে কার্যহীন বল বলে।কেন্দ্রমুখী বা অভিকেন্দ্র বল একটি কার্যহীন বল। 

d. ধ্রুব বল দ্বারা কৃতকাজ :

বল সাধারণত দুই প্রকার; যথা - ধ্রুব বল এবং পরিবর্তনশীল বল।

★ধ্রুব বল: সময়ের প্রেক্ষিতে বলের মান ও দিক পরিবর্তন না হলে তাকে স্থির বা ধ্রুব (constant) বল বলে।

এক্ষেত্রে কৃতকাজ =বলের মান x বলের ক্রিয়ারেখা বরাবর সরনের মান

      W= F x (-s)

বা,W=Fs.cos@

e. পরিবর্তনশীল বল দ্বারা কৃতকাজ :

★যে বলের মান ও দিকের অথবা যেকোন একটির পরিবর্তন ঘটে তাই পরিবর্তনশীল বল।

♦ বলের মান যখন পরিবর্তনশীল তখন ও কৃতকাজ,

W=Fs.cos@

♦বলের মান ও দিক যখন উভয়ই পরিবর্তনশীল তখনও কৃতকাজ,

W=Fs.cos@

f. স্থিতিস্থাপক বল দ্বারা কৃতকাজ :

একটি স্প্রিংকে টেনে প্রসারিত করলে মনে হয় যে, স্প্রিং আমাদের হাতকে বিপরীত দিকে টানছে। নিউটনের তৃতীয় সূএ দিয়ে এটি ব্যাখা করা যায়।এখানে স্পষ্টত যে,স্প্রিংকে বিকৃত করার চেষ্টা করলে স্প্রিং বাধা দেয় এবং ছেড়ে দিলে আগের দৈর্ঘ্য ফিরে পায়। এক্ষেত্রে যে বলের কারনে পূর্বের আকার বা আয়তন ফিরে পেল সেই বলকেই স্থিতিস্থাপক বল বলে।

অর্থাৎ স্থিতিস্থাপক সীমার মধ্যে বাইরে থেকে বল প্রয়োগ করলে বস্তুর আকার পরিবর্তন ঘটানোর পর বল অপসারন করলে যে বলের কারনে পূর্বের আকার ফিরে পায় তাকে স্থিতিস্থাপক বল বলে।

স্প্রিং -কে বল প্রয়োগ করলে x মিটার সরন ঘটালে স্প্রিং দ্বারা কৃতকাজ W=1/2.kx^2  এখানে k স্প্রিং ধ্রুবক বা বল ধ্রুবক। এখানে  স্প্রিং কে x মিটার সংকুচিত বা প্রসারিত করলে কৃতকাজ একই হবে। সুতরাং স্থিতিস্থাপক বল দ্বারা কৃতকাজ সরনের বর্গের সমানুপাতিক অর্থাৎ  W~x^2.  স্থিতিস্থাপক বলের বিপরীতে সরন দুইগুন করলে কাজ চারগুন হবে।

g. অভিকর্ষীয় বল দ্বারা কৃতকাজ :

          কোন বস্তুকে নিচ থেকে উপরে উঠালে বা উপর থেকে নিচে নামালে অভিকর্ষীয় বল দ্বারা কৃতকাজ হয়।

পৃথিবীর ব্যাসার্ধ R, ভর M এবং বস্তুুর ভর m এবং h উচ্চতায় বস্তুুটি তুলতে বা নামাতে অভিকর্ষ বল F=GMm/R^2 দ্বারা কাজ হবে W=Fh

  বা W=GMm/R^2. h এখানে, GMm/R^2 ধ্রুব রাশি।  সুতরাং অভিকর্ষ বল দ্বারা কৃতকাজ উচ্চতা বা সরনের সমানুপাতিক। অর্থাৎ W~ h.

এখন পৃথিবীর ব্যাসার্ধ R এর তুুলনায় বস্তুুর দূরত্ব h খুব ক্ষুদ্র হয় অর্থাৎ h<

W=GMm/R^2. h  হবে।

2.শক্তি(Power):

        কাজ করার সামর্থ্য কে শক্তি বলে। যে পরিমাণ কাজ বস্তুু করতে পারে তা দিয়ে শক্তি পরিমাপ করা হয়। কাজের মতো শক্তিও একটি স্কেলার রাশি। শক্তির বিভিন্ন রুপ আছে যেমন :

1.যান্ত্রিক শক্তি(Mechanical energy)

2.তাপ শক্তি (Heat energy)

3.আলোক শক্তি (Light energy)

4.শব্দশক্তি (Sound energy)

5.চৌম্বক শক্তি (Magnetic energy)

6.তড়িৎ শক্তি (Electrical energy)

7.রাসায়নিক শক্তি(Chemical energy)

8.পারমাণবিক শক্তি(Nuclear energy)

9.সৌর শক্তি(Soler energy)

 ★যান্ত্রিক শক্তি (Mechanical energy):

কোন বস্তুুর আকার, আবস্থান বা গতির কারনে কাজ করার যে সামর্থ্য থাকে বা শক্তি থাকে তাকে যান্ত্রিক শক্তি বলে।

যান্ত্রিক শক্তি প্রধানত দুই প্রকার। যথা:

1.গতি শক্তি (kinetic energy)

2.স্থিতিশক্তি বা বিভব শক্তি (potential energy)

কেপলারের সূএ গুলো জানতে Click it.

 

অরবিটালের সংকরায়ন(Hybridization of orbital)

কোন পরমাণুর যোজ্যতাস্তরের একাধিক ভিন্ন শক্তির অরবিটাল মিশ্রিত হয়ে সমশক্তির সমসংখ্যক অরবিটাল উৎপন্ন করার প্রক্রিয়াকে অরবিটালের সংকরায়ন বা Hybridization বলে। 

উৎপন্ন অরবিটালসমূহ সংকর অরবিটাল নামে পরিচিত।

বিভিন্ন মৌলের সংকরায়ন বিভিন্ন যৌগে এদের সংকরন বিভিন্নরকম হতে পারে। সাধারণভাবে সংকরায়নকে তিনটি সংকরায়নে ভাগ করা যেতে পারে।যেমন: sp, sp^2, sp^3

1. sp সংকরায়ন :

    পরমানুর যোজ্যতাস্তরে একটি  "S" অরবিটাল এবং একটি "P" অরবিটাল পরষ্পর পরষ্পরকে অধিক্রমণ করে সমশক্তির দুটি অরবিটাল উৎপন্ন করে তাকে "SP" সংকরায়ন বলে।

এ সংকরিত অরবিটাল দুটি পরষ্পর 180 degree কোনে অবস্থান করে। এ সংকরায়নকে কৌনিক সংকরায়ন বা diagonal hybridization বলে। 

প্রতিটি "sp" সংকর অরবিটালে সমপরিমাণ "s" ও সমপরিমাণ "p" এর (50% s & 50% p) গুন বর্তমান থাকে। কোন পরমানুর কেন্দ্রীয় পরমাণুটি "sp" সংকরিত হলে তার গঠন সরলরৈখিক হয়। কর্বনের এি-বন্ধনযুক্ত যৌগে "sp" সংকরায়ন ঘটে।

নিচে "sp" সংকরায়নের চিএ দেখানো হলো:

2.  sp^2 সংকরায়ন :

             কোন পরমাণুর যোজ্যতাস্তরের

একটি "s" অরবিটাল ও দুটি "p" সংকরিত হয়ে তিনটি সমশক্তির ট্রাইগোনাল বা এিকোনীয় আকৃতির অরবিটাল উৎপন্ন করার প্রক্রিয়াকে "sp^2" সংকরায়ন বলে।

কোন যৌগের কেন্দ্রীয় পরমাণুর "sp^2"সংকরায়ন হলে দুটি অরবিটালের মধ্যে 120 degree  কোন উৎপন্ন করবে। সকল দ্বি-বন্ধনযুক্ত(একটি পাই ও দুটি সিগমা বন্ধন)  যৌগে কার্বনের "sp^2" সংকরায়ন ঘটে।

"sp^2" সংকরিত অরবিটালের মধ্যে "s" এর (1/3) % এবং "p" এর (2/3) % গুন বর্তমান থাকে।

নিচে "sp^2" সংকরায়ন চিএ দেখানো হলো:

3. sp^3 সংকরায়ন :

         কোন পরমাণুর যোজ্যতাস্তরের একটি "s" অরবিটাল ও তিনটি "p" অরবিটাল সংকরিত হয়ে সমশক্তির 4 টি অরবিটাল উৎপন্ন করার প্রক্রিয়াকে "sp^3" সংকরায়ন বলে।

কোন যৌগের কেন্দ্রীয় পরমাণুর "sp^3 " সংকরায়ন হলে অরবিটাল দুটির মধ্যে 109.5 degree কোন উৎপন্ন হয়। "sp^3" সংকরায়নকে টেট্রাহাইড্রাল সংকরায়ন(Tetrahedral hybridization) বলে।

প্রত্যেকটি "sp^3" সংকরিত অরবিটালের মধ্যে "s" এর 25% এবং "p" এর 75% গুণাবলী  বিদ্যামান থাকে। 

নিচে "sp^3" সংকরায়নের দেখানো হলো :

মোলার গ্যাস ধ্রুবক (R) এর বিভিন্ন মান

আদর্শ গ্যাসের সমীকরন PV=nRT এর ধ্রুবক R কে সার্বজনীন মোলার গ্যাস ধ্রুবক বলে। কারন, একই তাপমাত্রা ও চাপে এক মোল কোন মোলার গ্যাসের আয়তন সমান হওয়ায় সব গ্যাসের বেলায় ঐ গ্যাস ধ্রুবকের মান একই হয়। 

গ্যাস ধ্রুবকের তাৎপর্য :

চাপ স্থির রেখে এক মোল আদর্শ গ্যাসের তাপমাত্রা এক কেলভিন বাড়ালে গ্যাসের আয়তন বৃদ্ধিজনিত যে পরিমাণ কাজ হয়,তা মোলার গ্যাস ধ্রুবক R  এর সমান।

গ্যাস ধ্রুবক R এর মান নির্নয় :

গ্যাসের চাপ(P) ও আয়তন (V) কে বিভিন্ন এককে এবং তাপমাত্রাকে ( T) কে কেলভিন এককে ব্যাবহার করে মোলার গ্যাস ধ্রুবক R  এর মান চারটি ভিন্ন এককে প্রকাশ করা হয়।

1.  L-atm এককে Rএর মান নির্নয় :

 এই এককে আয়তন, V=22.4 L;

চাপ, P=1 atm;

মোল,n=1;

তাহলে,

    PV=nRT

বা, R=PV÷nT

মানগুলো বসালে আসবে,

 R=0.0821 L.atm/mol.K

2. SI এককে R এর মান নির্নয় :

এই এককে চাপ,P=101325 N/m^2;

আয়তন,V=22.4 x 10^-3 m^3;

মোল,n=1,

তাহলে,

R=PV÷nT

এ মান বসালে আসবে,

R=8.314 J/mol.K

3. CGS  এককে R এর মান:

এক্ষেত্রে 

চাপ,P=1 atm=76. (13.6). 981 = 1013961.6 dyne.cm^-1

আয়তন,V=22.4L=22414cm^3

তাহলে

R=PV÷nT

মান বসালে আসবে,

R=8.32 x 10^7 erg/K.mol

[NB: 1 dyne.cm=1 erg ]

4. Calory এককে R এর মান:

এক্ষেত্রে,

আমরা জানি,

1 cal=4.18 J

বা, 1 J=1÷(4.18) cal

SI এককে Rএর মান,

 R=8.32 J/mol.K

     =8.32 x {1÷(4.18)} cal/mol.K

★  বন্দি  পাঠশালার প্রিমিয়াম কোর্স ফ্রিতে  watch & Download  করতে এখানে ক্লিক কর,,,,,, 

সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধন

N.V.Sidgwick এর মতে কোন কোন সময় বন্ধন গঠনে ইলেকট্রন জোড় একটি পরমাণু থেকে আসে। যদিও বন্ধন গঠনকারী ইলেকট্রন একটি পরমাণু থেকে আসে তথাপি ইলেকট্রন জোড়া সমভাবে উভয় পরমাণু ব্যবহার করে এবং এই ইলেকট্রন জোড়া একটি সমযোজী বন্ধন হিসেবে কাজ করে। সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধনের সংজ্ঞানুযায়ী, একটি পরমাণু থেকে এক জোড়া ইলেকট্রন দুই পরমাণুকে বন্ধনে আবদ্ধ করে তখন সেই বন্ধনকে সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধন বলে।

প্রকৃতপক্ষে সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধন এক ধরনের সমযোজী বন্ধন কারণ ইলেকট্রন দাতা পরমাণুর কাছ থেকে আসা ইলেকট্রন দুটো, দুটো পরমাণুর (দাতা ও গ্রহীতা) মধ্যে সমভাবে বন্টিত হয় এবং ইলেকট্রন গণনার সময়ও উভয়ের জন্য ইলেকট্রন দুটো গণনা করা হয়।

আয়নের সংকরায়ন (Hybridization of Ions)

[Cu(NH3) 4]2+ আয়নে Cu2+ আয়নের dsp2 সংকরায়ন হয়।

কেন হয়?

প্রথমে আসি, কপার(Cu) এর ইলেকট্রন বিন্যাস ব্যতিক্রম কেন?

কপার এর ইলেকট্রন বিন্যাস নিম্নরূপঃ
Cu (29)----> 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹º

ইলেকট্রন বিন্যাস থেকে দেখা যায়, কপারের ক্ষেত্রে 4s² 3d⁹ থেকে 4s¹ 3d¹º হয়েছে। কারন হচ্ছে -

আউফবাউ নীতি অনুসারে কোন অরবিটালে ইলেকট্রন প্রবেশের ক্ষেত্রে ইলেকট্রন সর্বপ্রথম নিম্নশক্তির অরবিটাল পূর্ণ করে, তারপর উচ্চশক্তির অরবিটালে প্রবেশ করে৷

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s ......

যেমন: 3d ও 4s অরবিটালের মধ্যে- 3d এর জন্য n=3 এবং l=2 সুতরাং n+l = 3+2=5, 4s এর জন্য n=4 এবং l=0 সুতরাং n+l = 4+0=4

4s অরবিটালের শক্তি কম। সুতরাং 4s অরবিটালে আগে ইলেকট্রন প্রবেশ করবে,পরে 3d অরটিলে ইলেকট্রন প্রবেশ করবে।

স্থায়িত্বের নীতি অনুসারে কোন মৌলের ইলেকট্রন বিন্যাসে যদি সর্ববহিঃস্থ শক্তির অরবিটাল অর্ধপূর্ণ বা পূর্ণ অবস্থায় থাকে তবে ঐ মৌলের স্থিতিশীলতা বৃদ্ধি পায়। এজন্য কপারের ইলেকট্রন বিন্যাসে বহিঃস্থ শক্তিস্তরে 4s² 3d⁹ এর পরিবর্তে 4s¹ 3d¹º হয় । স্থিতিশীলতার জন্য কপার ইলেকট্রন বিন্যাসের ব্যতিক্রম দেখা যায়।

তাদের এই স্থিতিশীলতার কারণ প্রতিসাম্য এবং বিনিময় শক্তি। অর্ধপূর্ণ ও পূর্ণ অবস্থায় অরবিটালগুলি অন্য কোনও কনফিগারেশনের চেয়ে বেশি প্রতিসম হয় এবং এ প্রতিসাম্য অধিকতর স্থায়িত্বের দিকে নিয়ে যায়। একই সাব-শেলের বিভিন্ন কক্ষপথে উপস্থিত ইলেকট্রনগুলি তাদের অবস্থানগুলি বিনিময় করতে পারে। এবার,

Cu + আয়নটির জন্য 4s1 থেকে একটি ইলেকট্রন সরালে ইলেকট্রন বিন্যাস দাঁড়াবে:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹º

Cu2 + আয়নটির জন্য মোট দুটি ইলেকট্রন সরালে, একটি 4s1 থেকে এবং অন্যটি 3d10 থেকে। তখন ইলেকট্রন বিন্যাস দাঁড়াবে:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁹

এবার আসি হাইব্রিডাইজেশন বা সংকরায়ন বিষয়ে।

[Cu(NH3) 4]2+আয়নে Cu2+আয়নের dsp2 সংকরায়ন কেন হয়?

Cu এর জারণ অবস্থা +2 ও এর ইলেকট্রন বিন্যাস হল- [Ar] 3d9।

কাপ্রোঅ্যামোনিয়ামের ( [Cu(NH3)4]2+) সংকরায়নের ফলে গঠিত ইলেকট্রন বিন্যাসঃ

কাপ্রোঅ্যামোনিয়াম আয়ন i.e [Cu(NH3)4]2+ এ Cu2+ এর 3d অরবিটালে 9 টি ইলেকট্রন রয়েছে। dsp2 সংকরকরণ গঠনের সময় কাপ্রোঅ্যামোনিয়াম আয়নের অযুগ্ম ইলেকট্রনটি 3d থেকে 4pz অরবিটালে স্থানান্তর হয়। ফলে 9 টি ইলেকট্রন, জোড় করার পরে, একটি d অরবিটাল শূন্য দেখায়। কিভাবে -

যেহেতু অ্যামোনিয়া একটি শক্তিশালী লিগ্যান্ড ক্ষেত্র তাই Cu এর সাথে Coordination বন্ধন তৈরি হয়।

সুতরাং, Cu2+ মধ্যে ইলেকট্রনগুলির একটি পুনর্বিন্যাস হবে এবং স্ফটিক ক্ষেত্র তত্ত্ব বা crystal field theory অনুসারে Cu2+ এর d-অরবিটালে শেষ ইলেকট্রনটি বের হয়ে যাবে এবং প্রথমে N এর ইলেকট্রনগুলোর দ্বারা তার অর্বিটালগুলো পূরণের জন্য অপেক্ষায় থাকবে। এরপর, NH3 থেকে 4 টি ইলেকট্রন জোড়া থেকে 3d অরবিটালে একটি, 4s অরবিটালে একটি এবং 4p অরবিটালে দুটি জোড়া মিলে বা dsp2 সংকরকরনে মাধ্যমে বর্গাকার সমতল ক্ষেত্র বা আকার বিশিষ্ট চারটি হাইব্রিড অরবিটাল গঠন করে। এবং 4p অরবিটালের তৃতীয় স্থানে থাকবে 3d থেকে গ্রহণ করা ইলেকট্রন। এটি একটি অযুগ্ম ইলেকট্রন সহ বর্গাকার সমতল তৈরি হয়।

এটির একটি বর্গাকার সমতল কাঠামোর চিত্র -

সংক্ষেপে-

[Cu(NH3)4]2+ এর বর্গাকার সমতল কাঠামো কেন হয়-

জাহান-টেলারের distortion তত্ত্ব অনুযায়ী - কপারে 9 টি ইলেকট্রন রয়েছে, dz2 এবং dx2-y2 এর শক্তি dxy, dxz এবং dyz অরবিটালগুলির চেয়ে কম থাকে। কারন সেখানে 9 টি ইলেক্ট্রন রয়েছে বলে এই তিনটি অবক্ষয়শীল (degenerate) অরবিটাল সমানভাবে পূরণ হয়নি (এর মধ্যে 2 টিতে 2 টি ইলেকট্রন রয়েছে তবে অন্যটিতে কেবল 1 টি রয়েছে)। এ কারনটাই জটিল যৌগকে এটির গঠন জ্যামিতিটি বিকৃত করে ফেলে, অর্থাৎ নিজেকে অবক্ষয় থেকে রক্ষা করার জন্যই বর্গাকার সমতল আকার ধারণ করে। কাপ্রোঅ্যামোনিয়াম আয়নের ক্ষেত্রে এই বর্গাকার সমতল জটিল কাঠামো শক্তির দিক থেকে অন্য কাঠামো অপেক্ষা শক্তিশালী ও অনুকূল।