Thermodynamics part- 1।। The First Law of Thermodynamics।।(Conservation Of Energy)

আঠারো শতকের শেষে ও উনিশ শতকের শুরুতে বিজ্ঞানীদের মনে এক ব্যাপক কৌতূহল ছিল তাপ ও উষ্ণতা নিয়ে।। তাপ আসলে কি? উষ্ণতা কি?? এর সাথে সাথে অপর একটি প্রশ্ন দানা বাঁধতে থাকে তা হলো আমাদের চারপাশের জগত অপ্রত্যাবর্তনীয় কেন?? কেন হাত থেকে পরে ভেঙে যাওয়া কাপ আবার কেন আগের অবস্থায় ফিরে আসে না যদিও নিউটন ও তৎকালীন বিজ্ঞানীদের মত অনুসারে এটা সম্ভব।।।

এর মধ্য দ্বিতীয় প্রশ্নের উত্তরস্বরূপ ল্যাভয়শিয়ের বলেন যে উষ্ণতা হল কোন বস্তু তে থাকা এক বিশেষ তরল 'ক্যালোরি' র পরিমাণ।।আর থার্মোমিটার আমাদের এই পরিমাণ দেখায়।। কিন্তু এই ধারনা পরবর্তীকালের বিজ্ঞানীদের পছন্দ হল না।। পিয়ের সাইমন ল্যাপ্লাস, লর্ড কেলভিন, রুডলফ ক্লসিয়াস, হেরমান ভন হেলমহোটজ,উইলিয়াম র‌্যানকিন সহ আরো অনেক বিজ্ঞানীদের মতে উষ্ণতা হলো কোন বস্তুতে তে থাকা অনুগুলির সংঘর্ষ-এর ফল।।

               Antoine-Laurent de Lavoisier

                             Rudlof Clausias 

         Pierre-Simon, marquis de Laplace

                 James Clarke Maxwell

                        William Rankin 

ম্যাক্সওয়েলের তড়িৎচুম্বকীয় তত্ত্ব অনুযায়ী এর ব্যাখ্যা করা যায় যে কোন অনু বা পরমাণু অসংখ্য তরিদাহিত কণা দ্বারা তৈরি এবং কোন পরিবর্তনশীল তড়িৎক্ষেত্র ও চৌম্বকক্ষেত্র তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের সৃষ্টিকরে।।ফলে একটি অনু কম্পিত হলে তা তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গের সৃষ্টি করে এই তরঙ্গের কিছু অংশ অন্য অনুকে কম্পিত করে ও বাকিটা তাপ হিসাবে আত্মপ্রকাশ করে।।। এই ধারণার ওপর ভিত্তি করে বিজ্ঞানে এক নতুন শাখার শুরু হয় যা হলো THERMODYNAMICS।।

          Collision of Underlying Molecules 

এই THERMODYNAMICS কে বিভিন্ন বিজ্ঞানীরা বিভিন্ন ভাবে ব্যাখ্যা করে মোটামুটি তিনটে(বাস্তবে চারটি কিন্তু চতুর্থ সূত্রটি দ্বিতীয় সুত্রের বিবর্ধিত রূপ)প্রধান সিদ্ধান্তে উপনীত হন।। এগুলি হলো :-

1. এই মহাবিশ্বে শক্তিকে সৃষ্টি বা ধ্বংস করা যায় না কেবল শক্তিকে এক রূপ থেকে অন্য রূপে রূপান্তরিত করা যায়।।এই মহাবিশ্বের মোট শক্তি ধ্রুবক।।( FIRST LAW)

2. কোন স্বয়ংক্রিয় যন্ত্রর সাহায্যে তাপকে নিম্ন তাপমাত্রা থেকে উচ্চতর তাপমাত্রায় স্থানান্তরিত করা যায় না।।(ক্লসিয়াস এর বিবৃতি)
অথবা কিছু পরিমাণ তাপকে কখনই পুরোপুরি কার্যে রূপান্তরিত করা যায় না।।(কেলভিন এর বিবৃতি) (SECOND LAW)

3. যদি দুটি বস্তু A, B তাপীয় সাম্যে থাকে এবং A যদি অপর একটি বস্তু C এর সাথে সাম্যাবস্থায় থাকলে A ও C পরস্পরের সাথে তাপীয় সাম্যে থাকবে (ZERO'th LAW)

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সুত্র(শক্তি সংরক্ষণ নীতি)

তাপগতিবিদ্যার প্রথম সুত্র জানার আগে এটা জানি শক্তি আসলে কি?আর শক্তি সংরক্ষণ নীতিই বা কি?? স্যার Issac Newton 1687 সালে তার বিখ্যাত বই Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica বা সহজ ভাষায় প্রিন্সিপিয়া ম্যাথামেটিকা প্রকাশ করেন যা আধুনিক কালের বাইবেল এর সাথে তুলনীয়।। এই বইতে নিউটন বিভিন্ন দৈনন্দিন অতিপরিচিত ঘটনার যুক্তি সম্মত ব্যাখ্যা দেন।। যেমন কেন কোন বস্তু গতিশীল হয় ও তার বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য (Laws of Mechanics),আলোর বিভিন্ন ধর্ম (Theory of optics), কেন চাঁদ পৃথিবীর চারিদিকে আবার অন্যান গ্রহ সূর্যের চারিদিকে ঘোরে (Laws of Universal Gravitation)।।এছাড়াও কলনবিদ্যা(Calculus), দ্বিপদ উপপাদ্য(Binomial Theorem) ইত্যাদি গাণিতিক তত্ত্বও প্রকাশ করেন।।

 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica

              এর মধ্য নিউটন মহাকর্ষ সহ বিভিন্ন সাধারণ ঘটনার ব্যাখ্যা দেওয়ার জন্য  মহাকর্ষ সহ তিনটি সুত্র ব্যবহার করেন।

• বাইরে থেকে নেট বল প্রযুক্ত না হলে, স্থির বস্তু চিরকাল স্থির থাকবে ও গতিশীল বস্তু চিরকাল সমবেগে সরলরেখা বরাবর গতিশীল থাকবে।।

• কোন বস্তুর ভরবেগ পরিবর্তনের হার বস্তুর ওপর প্রযুক্ত বলের সামানুপাতিক।।

যেখানে( F= প্রযুক্ত বল, d/dt ক্ষুদ্র সময় অবকাশে পরিবর্তন, mv= ভরবেগ)।।

• প্রত্যেক ক্রিয়ার সমান ও বিপরীতমুখী প্রতিক্রিয়া বল আছে।।

• মহাকর্ষ সুত্র:- এই মহাবিশ্বের প্রতিটি বস্তুই একে অপরের ভরকেন্দ্র বরাবর আকর্ষণ করে এই আকর্ষণ বলের মান বস্তুদ্বয়ের ভরের গুণফলের সমানুপাতিক এবং মধ্যবর্তী দূরত্বের বর্গের ব্যস্তানুপাতিক।

(G =সার্বজনীন মহাকর্ষ ধ্রুবক; m1,m2 বস্তু দুটির ভর; R বস্তুদুটির ভরকেন্দ্রের মধ্যবর্তী দূরত্ব)।।K হলো মহাকর্ষ সুত্র কে Inverse Square Law এর আকারে প্রকাশ করলে সমানুপাতিক ধ্রুবক।। 

আপাতভাবে এই চারটি সুত্র দিয়ে নিউটন দৈনন্দিন বিভিন্ন ঘটনা ব্যাখ্যা করেন।। কিন্তু নিউটনের পদ্ধতির সমস্যা হলো এই পদ্ধতি ব্যবহার করে মোটামুটি সব ঘটনা ব্যাখ্যা করা গেলেও কিছু ক্ষেত্রে গাণিতিক সমস্যায় এই পদ্ধতি ব্যাবহার করলে সমাধান অতি জটিল হয়ে যায় যেমন Double Pendulum, Three Body Problem ইত্যাদি।। কারন নিউটনের পদ্ধতি ব্যবহার করলে বল বা ভরবেগ দিয়ে ব্যাখ্যা করতে হয় আর সামান্য বিজ্ঞান শিক্ষা আছে এমন যে কেউ ই বলবে বল, ভরবেগ ভেক্টর রাশি।। ফলে গাণিতিক ভাবে সমস্যা সমাধান করতে হলে বলে, ভরবেগের মানের সাথে সাথে তাদের দিক নিয়েও চিন্তা করা প্রয়োজন।।।
এই ধরনের সমস্যা সমাধানের জন্য আমাদের এমন কিছু বৈশিষ্ট্য দরকার যার কেবল মান আছে কিন্তু অভিমুখ নেই।।।

নিউটনের সমসাময়িক ও নিউটনের প্রতিদ্বন্দী Gottfrid Leibniz নামে এক জার্মান গণিতজ্ঞ গতিশীল বস্তুর এক বিশেষ ধর্মের কথা বলেন তিনি যার নাম দেন vis viva তিনি আরো বলেন এই vis viva ঘর্ষণ না থাকলে সময়ের সাথে সাথে অপরিবর্তিত থাকে আর এর মান হলো-

                       Gottfrid Leibniz

Émilie Du Châtelet নামক এক ফরাসি সম্ভ্রান্ত পরিবারের কন্যা Leibniz এর তত্ত্ব প্রমান করেন।।এই vis viva পরে গতিশক্তি বা Kinetic Energy নামে পরিচিত।।

                    Émilie Du Châtelet

কিছুকাল পরে William Rankin নামক এক স্কটিশ বিজ্ঞানী আর একধরনের শক্তির কথা বলেন যা কোন বস্তু বা আধান প্রকৃতিতে অবস্থানের জন্য লাভ করে।। তিনি এই শক্তির নাম দেন স্থিতিশক্তি বা Potential Energy আর এর মান হলো

F হলো প্রযুক্ত বল ds হল ক্ষুদ্র সরণ।। তিনি আরো বলেন যে কোন সিস্টেম শুধুমাত্র গতিশক্তি ধ্রুবক না বরং মোট শক্তি (গতিশক্তি ও স্থিতিশক্তির সমষ্টি) ধ্রুবক।। এই ভাবেই আমাদের চিরপরিচিত শক্তি সংরক্ষণ আসে কোন বিচ্ছিন্ন সিস্টেম-এর মোট শক্তি সর্বদাই ধ্রুবক।। 

অর্থাৎ কোন বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে,

  ( δQ হল ঐ সিস্টেমের মোট শক্তি δU হল ঐ সিস্টেমের আভ্যন্তরিন শক্তি δW হল ঐ সিস্টেমের ওপর কৃতকার্য।। )

তাই বলা যায় শক্তিসংরক্ষণ নীতি তখনকার সময়ে তাত্ত্বিক ভাবে না বরং পরিক্ষনীয় ভাবেই প্রমাণিত তত্ত্ব হিসাবে ধরে নেওয়া হত।।

প্রসঙ্গত উল্লেখ্য এই শক্তি সংরক্ষণ নীতি সর্বদা সত্য নয়।। আইনস্টাইনের আপেক্ষিকতাবাদ তত্ত্ব এই শক্তি সংরক্ষণ নীতির অমান্য করে।। তার তত্ত্বে কোন উৎস ছাড়াই শক্তির সৃষ্টি হয় আবার শক্তি ধ্বংসও হয়।।।

পরে Emmy Noether এই শক্তি সংরক্ষণ নীতি সহ আরো বিভিন্ন সংরক্ষণ নীতির তাত্ত্বিক ব্যাখ্যা দেন, যা Noether's Theorem নামে পরিচিত।। তার তত্ত্ব অনুযায়ী Every  differentiable symmetry of the action of a physical system has a corresponding conservation law.. অর্থাৎ প্রকৃতির যেকোন symmetry তার সাথে সম্পর্কিত সংরক্ষণ নীতির জন্ম দেয়।। শক্তি সংরক্ষণ এর ক্ষেত্রে এই symmetry হল Time Translation Symmetry অর্থাৎ কোন system সময়ের সাথে সাথে অপরিবর্তিত থাকলে ঐ সিস্টেম এর শক্তি সংরক্ষিত থাকে।।

                       EMMY NOETHER 

কিন্তু আপেক্ষিকতাবাদ তত্ত্বে মহাবিশ্ব প্রসার্যমান এবং প্রসার্যমান মহাবিশ্বে কোন সিস্টেম সময়ের সাথে সাথে পরিবর্তিত হয় তাই আপেক্ষিকতাবাদ তত্ত্বে এই শক্তি সংরক্ষণ নীতি সংরক্ষিত না।।।


।।চলবে।। 

।।পরবর্তী পর্বে তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সুত্র।।

লিখনে :- Shravan Ghosh 

তথ্যসূত্র:- Wikipedia