তাপ ইঞ্জিন (Heat Engine)

যে ইঞ্জিন দ্বারা তাপশক্তিকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তর করা যায় তাকে তাপ ইঞ্জিন (Heat Engine) বলে। যেমন বাষ্পীয় ইঞ্জিন, পেট্রোল ইঞ্জিন, ডিজেল ইঞ্জিন ইত্যাদি।

তাপ ইঞ্জিনের মূলনীতি (Principle of Heat Engine):

প্রত্যেক ইঞ্জিনেই একটি কার্যরত পদার্থ (working substance) থাকে। যেমন বাষ্পীয় ইঞ্জিনে বাষ্প কার্যরত বস্তু আবার পেট্রোল ইঞ্জিনে পেট্রোল কার্যরত বস্তু। কার্যরত পদার্থ উচ্চ তাপ-মাত্রার কোনো উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে ওই তাপের কিছু অংশ কার্যে পরিণত করে এবং বাকি অংশ নিম্ন তাপমাত্রার তাপগ্রাহকে বর্জন করে। এভাবে কার্যরত বস্তুর ক্রমাগত তাপ গ্রহণ ও বর্জনে প্রত্যেকবার কিছু তাপ কাজে পরিণত হয়। এটিই তাপ ইঞ্জিনের মূলনীতি (Principle of Heat Engine) ।

তাপ ইঞ্জিনের দক্ষতা (Efficiency of Heat Engine)

কোনো তাপ ইঞ্জিন দ্বারা কাজের রূপান্তরিত তাপশক্তির পরিমাণ ইঞ্জিন দ্বারা শোষিত তাপশক্তির পরিমাণের অনুপাতকে ইঞ্জিনের দক্ষতা (Efficiency of Heat Engine) বা কর্মদক্ষতা বলে।

ইঞ্জিনের দক্ষতা, \eta=\frac{ইঞ্জিন দ্বারা কাজে রূপান্তরিত তাপশক্তি}{ইঞ্জিন দ্বারা শোষিত তাপশক্তি}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}

দক্ষতার হিসাব (Calculation of Efficiency):

ধরা যাক তাপ ইঞ্জিনে কার্যরত পদার্থ T_1 তাপমাত্রার উৎস হতে Q_1 পরিমাণ তাপ গ্রহণ করে W পরিমাণ কাজ সম্পাদন করে এবং অবশিষ্ট তাপ Q_2, T_2 তাপমাত্রার তাপগ্রাহকে বর্জন করে। তাহলে কার্যে পরিণত তাপের পরিমাণ, W=Q_1-Q_2

∴ ইঞ্জিনের তাপীয় দক্ষতা, \eta=\frac{কার্যে পরিণত তাপ}{উৎস হতে গৃহীত তাপ}=\frac{W}{Q_1}

=\frac{(Q_1-Q_2)}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1} ———————- (1.10)

সমীকরণ 1.10 হতে দেখা যায় যে, Q_2-এর মান যত কম হবে দক্ষতা \eta তত বেশি হবে।

ইঞ্জিনের দক্ষতা সাধারণত শতকরা হিসাবে প্রকাশ করা হয়।

∴ ইঞ্জিনের তাপীয় দক্ষতা, \eta=\Big(1-\frac{Q_2}{Q_2}\Big)\times 100%

তাপ ইঞ্জিন কখনোই সম্পূর্ণ তাপকে কাজে বা যান্ত্রিক শক্তিতে পরিণত করতে পারে না। সাধারণত একটি তাপ ইঞ্জিনের দক্ষতা 30%। কোনো ইঞ্জিন যদি তাপ বর্জন না করে তাহলে গৃহীত তাপ সম্পূর্ণরূপে কাজে রূপান্তরিত হয়। সেক্ষেত্রে Q_2=0 হলে W=Q হবে। তখন 1.10 সমীকরণ অনুযায়ী দক্ষতা \eta=1 বা 100% হবে যা বাস্তবে সম্ভব নয়।

আদর্শ ইঞ্জিনের ক্ষেত্রে দেখানো যায় যে, ইঞ্জিন দ্বারা শোষিত বা বর্জিত তাপ Q ইঞ্জিনের সংস্পর্শে থাকা তাপ উৎস বা তাপধারের তাপমাত্রা T-এর সমানুপাতিক অর্থাৎ \frac{Q}{T}= ধ্রুব সংখ্যা। সেক্ষেত্রে তাপীয় ইঞ্জিনের প্রতি চক্রের জন্য আমরা পাই,

\frac{Q_1}{T_1}=\frac{Q_2}{T_2}

বা, \frac{Q_2}{Q_1}=\frac{T_2}{T_2}

\therefore \eta=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=\frac{T_1-T_2}{T_1}

শতকরা হিসেবে,\eta=\frac{T_1-T_2}{T_1}\times 100%

এক্ষেত্রে কার্যরত বস্তু, T_1K তাপমাত্রায় তাপ গ্রহণ করে এবং T_2K তাপমাত্রায় তাপ বর্জন করে। সমীকরণ (1.26) অনুযায়ী T_1>(T_1>T_2): কাজেই দক্ষতা 100% হতে পারে না। তাপ উৎস এবং তাপগ্রাহকের মধ্যবর্তী তাপমাত্রার পার্থক্য যত বেশি হবে দক্ষতা তত বৃদ্ধি পাবে। বাস্তবে দক্ষতা 20%-50% হয়।

কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা কখনোই 100% হতে পারে না।

কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা, \eta=1-\frac{T_2}{T_1}=\frac{T_1-T_2}{T_1}: এই সমীকরণে T_1>T_1-T_2 থেকে দেখা যায় কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা শুধুমাত্র উৎস ও তাপমাত্রার ওপর নির্ভর করে। উৎস ও তাপগ্রাহকের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য যত বেশি হবে দক্ষতাও তত বৃদ্ধি পাবে। এখন \eta=100% হতে পারে যদি T_2=0 হয়। অর্থাৎ পরম শূন্য তাপমাত্রায় এটি সম্ভব। কিন্তু কোনো বস্তুর তাপমাত্রাকে কখনই 0K-এ নামানো যায় না। ফলে কার্নোর ইঞ্জিনও 100% দক্ষ হতে পারে না।

তাপগ্রাহকের তাপমাত্রা হ্রাস পেলে কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা বৃদ্ধি পায়।

কার্নো ইঞ্জিন দ্বারা কাজে রূপান্তরিত তাপশক্তি ও ইঞ্জিন দ্বারা শোষিত তাপশক্তির অনুপাতকে কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা বলে। কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা, \eta=\frac{T_1-T_2}{T_1}\times 100% সমীকরণে, T_1 হলো উৎসের তাপমাত্রা এবং T_2 তাপগ্রাহকের তাপমাত্রা। উক্ত সমীকরণ অনুসারে T_2 এর মান যত হ্রাস পাবে (T_1-T_2) এর মান তত বৃদ্ধি পাবে। (T_1-T_2) এর মান যত বাড়বে কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা তত বাড়বে। এ কারণে তাপগ্রাহকের তাপমাত্রা হ্রাস পেলে কার্নো ইঞ্জিনের দক্ষতা বৃদ্ধি পায়।

রেফ্রিজারেটর বা হিমায়ক (Refrigerator)

হিমায়ন হচ্ছে এমন একটি প্রক্রিয়া যা কোনো আবদ্ধ স্থান বা বস্তু বা সিস্টেমের তাপ অপরাণ করে তার তাপমাত্রা পরিপার্শ্বের তাপমাত্রা অপেক্ষা কম রাখে।

মূলনীতি (Principle):

রেফ্রিজারেটরকে (Refrigerator) একটি তাপ ইঞ্জিনের(Heat Engine) বিপরীত যন্ত্র হিসেবে বিবেচনা করা যায়। তাপ ইঞ্জিন উচ্চ তাপামাত্রার উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে কার্য সম্পাদন করে এবং অ্যবহৃত তাপ নিম্ন তাপমাত্রার উৎস হতে তাপ গ্রহণ বা অপসারণ করে ও উচ্চ তাপমাত্রার আধারে বর্জন করে। নিম্ন তাপমাত্রার উৎস হতে তাপ অপসারণের জন্য যান্ত্রিক করতে হয়। রেফ্রিজারেটরে একটি কম্প্রেসর (compressor) যান্ত্রিক কাজ করে। এক্ষেত্রে অপসারিত তাপ Q_1 ও কাজ W এর যোগফল বর্জিত তাপ Q_2 এর সমান। চিত্র (১.১৫) এ একটি রেফ্রিজারেটরের প্রবাহ চিত্র (Flow Diagram) দেখানো হলো। বাড়িতে ব্যবহৃত রেফ্রিজারেটরের Q_1 রেফ্রিজারেটর হতে বাষ্পীভবন কুণ্ডলী দ্বারা অপসারিত তাপ, W কম্প্রেসরের মোটর কর্তৃক সম্পাদিত কাজ এবং Q_2 রেফ্রিজারেটরের বায়ুতে বর্জিত তাপ বুঝায়।

তাপ ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটরের প্রধান পার্থক্য হলো তাপ ইঞ্জিনে সিস্টেম দ্বারা কাজ সম্পাদিত হয়। অন্যদিকে রেফ্রিজারেটরে (Refrigerator) সিস্টেমের ওপর কাজ সম্পাদিত হয়।

কার্যকৃত সহগ (Co-efficient of Performance) :

রেফ্রিজারেটর হতে অপসারিত তাপ ও কম্প্রেসর কর্তৃক সরবরাহকৃত যান্ত্রিক কাজের অনুপাতকে কার্যকৃত সহগ বলে। একে K দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

এখন, রেফ্রিজারেটরের বাষ্পীভবন কুণ্ডলী হতে অপসারিত তাপ Q_1, কম্প্রেসর কর্তৃক সরবরাহকৃত কাজ W এবং ঘনীভবন কুণ্ডলীতে বর্জিত তাপ Q_2 হলে, শক্তির নিত্যতা সূত্র অনুসারে পাওয়া যায় [চিত্র ১.১৫],

Q_2=Q_1W \therefore W=Q_2-Q_1

সুতরাং সূত্রানুসারে কার্যকৃত সহগ, K=\frac{অপসারিত তাপ}{সরবরাহকৃত কাজ}=\frac{Q_1}{W}=\frac{Q_1}{Q_2-Q_1}

অর্থাৎ রেফ্রিজারেটরের দক্ষতা বা কর্মসম্পাদন সহগ বা কার্যকৃত সহগ হচ্ছে নিম্ন তাপমাত্রার তাপাধার হতে অপসারিত তাপ ও বহিস্থ সংস্থা বা কম্প্রেসর কর্তৃক সম্পাদিত কাজের অনুপাত।

কার্যকৃত সহগ যত বেশি হবে, তত কম যান্ত্রিক কাজ ব্যয় করে রেফ্রিজারেটর হতে বেশি তাপ গ্রহণ বা অপসারণ করা যাবে। রেফ্রিজারেটরে সাধারণত কার্যকৃত সহগ K-এর মান 2 থেকে 6 এর মধ্যে হয়।

রেফ্রিজারেটরের দক্ষতা বা কর্মদক্ষতা যথা, 

\eta=\frac{Q_1}{W}\le \frac{T_1}{T_2-T_1}এখানে, T_1= অপসারিত তাপমাত্রা এবং T_2= বর্জিত তাপমাত্রা

তাপ ইঞ্জিন ও রেফ্রিজারেটরের মূলনীতির মধ্যে পার্থক্য (Difference between Heat Engine and Refrigerator):

• তাপ ইঞ্জিন(Heat Engine) উচ্ছ তাপমাত্রার উৎস হতে তাপ গ্রহণ করে কার্য সম্পাদন করে এবং অব্যবহৃত তাপ নিম্ন তাপমাত্রার তাপগ্রাহকে বর্জন করে।
• পক্ষান্তরে রেফ্রিজারেটর নিম্ন তাপমাত্রার উৎস থেকে তাপ গ্রহণ বা অপসারণ করে ও উচ্চ তাপমাত্রার আধারে বর্জন করে। এর জন্য বাইরে থেকে শক্তি সরবরাহ করতে হয়।