Thermodynamics part-2।। Second Law Of Thermodynamics।। Entropy ।।
আগের পর্বে আমরা জেনেছি যে তাপ গতিবিদ্যার প্রথম সূত্র অনুযায়ী কোনো বিচ্ছিন্ন সিস্টেম যদি সময়ের সাথে সাথে অপরিবর্তিত থাকে তবে সেই সিস্টেমে শক্তি সংরক্ষিত থাকে।। এবং শূন্যতম সূত্র অনুযায়ী যদি দুটি বস্তু A ও B তাপীয় সাম্য অবস্থায় থাকে এবং অপর একটি বস্তু C এর সাথে B যদি সাম্যবস্থায় থাকে তবে A ও C ও পরস্পরের সাথে তাপীয় সাম্যবস্থায় থাকবে।। কিন্তু প্রথম সূত্র ও শূন্যতম সূত্র থাকা সত্ত্বেও আমাদের দৈনন্দিন জীবনের সব অভিজ্ঞতার ব্যাখ্যা দেওয়া যায় না তেমনি একটি উদাহরণ দিয়ে আজ আমরা আমাদের এই পর্বের আলোচনা সূচনা করব।।
কেন তাপ সর্বদা ঠান্ডা বসে থেকে উষ্ণ বস্তুতেই স্থানান্তরিত হয় অথচ তার উল্টোটা হয় না অর্থাৎ এক শীতল বস্তু থেকে উষ্ণ বস্তিতে স্থানান্তরিত হয় না?? যদিও এক্ষেত্রে শক্তির সংরক্ষিত থাকে।। (*প্রসঙ্গত উল্লেখ্য আজকের আলোচনায় প্রাথমিকভাবে তাপ শক্তির ওপর গুরুত্ব আরোপ করা হলেও দৈনন্দিন জীবনের প্রতিটি ক্ষেত্রে এর প্রভাব আছে)
এইসব অভিজ্ঞতার উপর Nicolas Léonard Sadi Carnot 1824 সালে তার Reflections on the Motive Power of Fire and on Machines Fitted to Develop that Power বই তে আদর্শ তাপ ইঞ্জিনের ব্যাখ্যা করতে গিয়ে বলেন যে, যখনই কোথাও উষ্ণতার পার্থক্য থাকবে তখনই তাপ শক্তিকে কার্য শক্তিতে রূপান্তরিত করা যায় কিন্তু আদর্শ ক্ষেত্র ব্যতীত অন্যান্য ক্ষেত্রে এই তাপমাত্রা পার্থক্যের সম্পূর্ণটাই কার্যে রূপান্তরিত হয় না।।
Carnot এর তত্বের ওপর ভিত্তি করে Rudlof Clausias নামক এক জার্মান বিজ্ঞানী উনিশ শতকের মধ্যভাগে তাপগতিবিদ্যার এক নতুন সূত্রের কথা বলেন।। তিনি বলেন যে,, কোনো বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে(কোন বস্তু বা প্রক্রিয়ার যতটুকু অংশ কে নিয়ে আমরা চিন্তা করি) কোন স্বয়ংক্রিয় যন্ত্রই তাপকে কখনোই শীতল বস্তু থেকে উষ্ণ বস্তুতে স্থানান্তরিত করতে পারে না ।। কিন্তু আমাদের মনে প্রশ্ন হতেই পারে যে রেফ্রিজারেটর এর সাহায্যে আমরা তো কোন বস্তুকে ঠান্ডা করি, এক্ষেত্রে কি এই নিয়ম ভাঙছে না?? উত্তর হলো না।। কারণ সূত্রে বলা হয়েছে যে কোনো বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে অর্থাৎ যে সিস্টেম পরিবেশ থেকে কোন শক্তির উপাদান সংগ্রহ করে না সেই সিস্টেম এর ক্ষেত্রে এই নিয়মটি প্রযোজ্য কিন্তু এখানে রেফ্রিজারেটর পরিবেশ থেকে শক্তি তড়িৎ শক্তি রূপে গ্রহণ করছে তাই এখানে দ্বিতীয় সূত্র ভুল প্রমাণিত হয় না।।
Rudlof Clausias এই সুত্রের কারন ব্যাখ্যা করতে গিয়ে বলেন যে, কোন বস্তু বা সিস্টেমের আভ্যন্তরীণ শক্তি, অণু গুলির বিশেষ সজ্জা ছাড়াও আরও একটি স্বকীয় ধর্ম আছে, যার নাম তিনি দেন, এনট্রপি।। তার মতানুসারে এনট্রপি হলো এমন এক ধর্ম যা কোন সিস্টেমে উষ্ণতার পার্থক্য সাথে পরিবর্তিত হয়।। বিশেষত এনট্রপি হল কোন সিস্টেমে যে পরিমাণে তাপ শক্তি প্রবেশ বা নির্গমন করে সেই পরিমাণে তাপশক্তি ও ওই সিস্টেমের তাপের প্রবেশের বা নির্গমন এর ফলে যে উষ্ণতার পার্থক্য সৃষ্টি হয় তার অনুপাত।।
ΔS হল এনট্রপি ΔQ হলো সিস্টেমে যে পরিমাণ তাপশক্তি ঢোকে বা বেরিয়ে যায় ΔT পরম স্কেলে সৃষ্ট উষ্ণতার পার্থক্য।।
এবং এই এনট্রপি কোন বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে সর্বদা বেড়ে চলে
BOLTZMANN এর ব্যাখ্যা:-
Clausias এর তত্ত্বের সাহায্যে এই তাপশক্তি প্রবাহের একমুখী প্রবাহের কিছু কারণ ব্যাখ্যা করা গেলেও এক নতুন সমস্যার আবির্ভাব হয় তাহলে এই এনট্রপি বাস্তবে কি কেনই বা কোন বিচ্ছিন্ন সিস্টেমের এনট্রপি সর্বদা বাড়ে??
এই সকল প্রশ্নের উত্তর দিতে গিয়ে Ludwig Boltzmann তার 1872 সালের বিখ্যাত পেপার 'Kinetic Theory of Gases' ,যেখানে তিনি সম্ভবনা তত্ত্ব(Statistical Mechanics) ব্যাবহার করে গ্যাসের বিভিন্ন ধর্ম প্রমান করেন, সেই পেপার এর ওপর ভিত্তি করে বলেন যে কোন সিস্টেমের ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র স্তরে শক্তি বা কনার সম্ভাব্য বন্টনই (microstates) বৃহৎ স্কেল ওই সিস্টেমের ধর্ম (macrostates) নির্ধারণ করে।। আমরা আগেই জেনেছি যে উষ্ণতা হলো কোন বস্তু বা গ্যাসের প্রতিটি কনার গতিশীলতার সম্মিলিত ফল।।অর্থাৎ যে বস্তুর অনুগুলির গতিশীলতা বেশি সেই বস্তুর উষ্ণতা বেশি যে বস্তুর গতিশীলতা কম উষ্ণতা ও কম।।
Boltzmann এর মতে কোন সিস্টেমের কণাগুলি যে ধরনের মাইক্রো স্টেট গ্রহণের প্রবণতা বেশি বৃহৎ স্কেলে ওই সিস্টেম তার সাপেক্ষেই ধর্ম গ্রহণ করে।। আর এনট্রপি হল এই ধরনের microstates এর সংখ্যা নির্দেশক এবং সম্পূর্ণভাবে সম্ভবনার ওপর আধারিত।।
S হলো Entropy, Kb হলো Boltzmann constant আর Ω হলো microstates এর সংখ্যা।।
একটা সহজ উদাহরণ দিয়ে ব্যাপারটা বোঝা যাক।। ধরা যাক আমাদের কাছে একটা বাক্সে কিছু লাল ও নীল রঙের বল রয়েছে।। এবার এই বাক্সটিকে আর একটা একটা বড়ো বাক্সের সাথে যুক্ত করে ভালোভাবে ঝাকানো হলো।। এরপর বাক্সটি খোলা হলে দেখা যাবে যে বলগুলি একটি বাক্স থেকে ওই দুটি বাক্সের সর্বত্র বিভিন্ন arrangement এ ছড়িয়ে আছে।। এই এলোমেলো ভাবে বিন্যস্ত থাকাকে উচ্চ এনট্রপি এবং সুবিন্যাস্ত ভাবে থাকাকে নিম্ন এনট্রপি বলে ধরা হয়।।কিন্তু ঐ বলগুলি কিছু ক্ষেত্রে সুবিন্যস্তভাবেও বণ্টিত(যেমন বাক্সের একদিকে সমস্ত বল বা বলগুলি সমহারে সর্বত্র বণ্টিত যা আপাতভাবে অসম্ভব)থাকে।। এক্ষেত্রে সুবিন্যস্ত বণ্টিত থাকার সম্ভাবনা খুবই কম, কিন্তু তাও অসম্ভব না।।
শক্তি বন্টনের ক্ষেত্রে একই জিনিস ঘটে।।এ ক্ষেত্রে তাপ শক্তিকে বল হিসাবে এবং উষ্ণ বস্তুটিকে, বলগুলি প্রথমে যে বাক্স-এ ছিল সেই বাক্স এবং শীতল বস্তুটিকে যে বাক্স যুক্ত করা হলো সেই বাক্স হিসাবে ধরা হলে আমরা খুব স্বাধারণ ভাবেই বুঝতে পারি যে বলগুলির(কনাগুলি) গতি থাকায় তার দুটি বাক্সের মধ্যে সর্বত্র সমানভাবে ছড়িয়ে পড়ে এক সাম্যবস্থার সৃষ্টি করে।। আর যেহেতু কণার গতিশক্তি মানেই তাপ শক্তি তাই তা একইভাবে তাপ বেশি উষ্ণতার বস্তু থেকে কম উষ্ণতার বস্তুতে ছড়িয়ে পড়ে।। এক্ষেত্রে বলা যায় যে তাপশক্তি কম থেকে বেশি তে ছড়িয়ে পড়েছে।। এই কারণের জন্যই তাপ সর্বদা উষ্ণ বস্তু থেকে শীতল বস্তুতে ছড়িয়ে পড়ে।। কিন্তু বিপরীত ঘটনা ঘটে না।। যদিও অনেক অনেক অনেক সময় পর কোন এক সময় তাপ শীতল বস্তু থেকে উষ্ণ বস্তুতে ছড়িয়ে পড়তে পারে কিন্তু এই সময়কাল এতো বেশি ও ঘটনাটি ঘটার সম্ভবনা এতোই কম যে তা ঘটে না।।
তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র সম্ভাবনা তত্ত্বের উপর আধারিত হলেও এর মত Fundamental সূত্র খুবই কম আছে।।
Albert Einstein তাপ গতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র সম্পর্কে বলতেন " Thermodynamics encapsulated The second law is the only physical theory which I am convinced will never be overthrown.."
স্যার Aurther Stanley Eddington তাত্ত্বিক পদার্থবিজ্ঞানীদের এই বলে সাবধান করেন "If your theory is found to be against the second law of thermodynamics I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation.."
Boltzmann ই সর্বপ্রথম এই ঘটনার যথাযথ ব্যাখ্যা দেন।।এই এনট্রপি মানুষের মনের এক বহু পুরানো দার্শনিক প্রশ্ন, "কেন সমস্ত ঘটনা অপ্রত্যাবর্তনশীল ও সময় সর্বদা অতীত থেকে বর্তমান ও বর্তমান থেকে ভবিষ্যতে যায়" এর উত্তর দেয়।। Boltzmann দেখান যে আমাদের প্রাত্যহিক জীবনের সমস্ত ঘটনাই কেন অপ্রত্যাবর্তনশীল।। আর এই অপ্রত্যাবর্তনশীলতাই সময়ের দিক নির্দেশ করে।।আর এই এনট্রপিই হয়তো আমাদের মহাবিশ্ব সহ আমাদের সৃষ্টির, অস্তিত্বের,বিনাশের প্রধান কারণ।।
লিখনে:- Shravan Ghosh
তথ্যসূত্র:- Wikipedia, YouTube, MIT open-course
( এনট্রপি এমনই এক গুরুত্বপূর্ণ এবং বিবিধ ভাবে চিন্তনীয় তত্ত্ব যে ভবিষ্যতে এনট্রপি নিয়ে আরো একটি লেখার ইচ্ছা আছে তবে সেটি এই মুহূর্তে হয়তো হবেনা।। সেই লেখায় আরো গভীরে আমরা জানব)
Comments
Post a Comment