শীতলীকরণ পদ্ধতিতে কোনো তরল পদার্থের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় (Determining the Relative Heat of a Liquid by Cooling System)

নিউটনের শীতলীকরণ সূত্রটি হলো “কোনো বস্তুর তাপ বর্জনের হার বস্তু এবং তার পারিপার্শ্বিকের তাপমাত্রার পার্থক্যের সমানুপাতিক।” যদি কোনে তরল পদার্থকে তার পারিপার্শ্বিকের সাপেক্ষে বেশি তাপমাত্রায় রাখা হয় তাহলে উষ্ণ তরল পদার্থ কর্তৃক বর্জিত তাপের হার নির্ভর করে-

১. তরল পদার্থের তাপমাত্রার উপর,

২. পারিপার্শ্বিকের তাপমাত্রার উপর, 

৩. তরল পদার্থের মুক্ততলের ক্ষেত্রফলের উপর, 

৪. তরল পদার্থ যে পাত্রে রাখা হয় সেই পাত্রের উপাদানের উপর এবং 

৫. পাত্রের দেয়ালের ক্ষেত্রফলের উপর।

যদি দুটি ভিন্ন তরলের ক্ষেত্রে উপরিউক্ত শর্তগুলোর অভিন্ন হয় তাহলে তাদের তাপ বর্জনের হার একই হবে। তাপ বর্জনের হার তরল পদার্থ দুটির প্রকৃতির উপর নির্ভর করে না।

m_{1} ভরের ও s_{1} আপেক্ষিক তাপের ক্যালরিমিটারে রাখা s আপেক্ষিক তাপের M তরলের তাপমাত্রা \theta_{1} থেকে\theta_{2}–তে নেমে আসতে যদি t_{1} সময় লাগে তাহলে তরল পদার্থ ও ক্যালরিমিটার কর্তৃক তাপ হারানোর হার,

\frac{\left(M s+m_{1} s_{1}\right)\left(\theta_{1}-\theta_{2}\right)}{t_{1}}

একই ক্যালরিমিটারে তরল পদার্থের সমআয়তনের m_{2} ভরের এবং s_{2} আপেক্ষিক তাপের পানির তাপমাত্রা একই পরিমাণ অর্থাৎ \theta_{1} থেকে \theta_{2}–তে নেমে আসতে যদি t_{2} সময় লাগে তাহলে তরল পদার্থ ও ক্যালরিমিটার কর্তৃক তাপ হারানোর হার,

\frac{\left(m_{2} s_{2}+m_{1} s_{1}\right)\left(\theta_{1}-\theta_{2}\right)}{t_{2}}

শীতলীকরণ অবস্থা একই রূপ থাকায় তাপ বর্জনের এই দুই হার সমান।

\text { অর্থাৎ, } \frac{\left(M s+m_{1} s_{1}\right)\left(\theta_{1}-\theta_{2}\right)}{t_{1}}=\frac{\left(m_{2} s_{2}+m_{1} s_{1}\right)\left(\theta_{1}-\theta_{2}\right)}{t_{2}} \\ \therefore s=\frac{1}{M}\left(\left(m_{1} s_{1}+m_{2} s_{2}\right) \frac{t_{1}}{t_{2}}-m_{1} s_{1}\right)

যন্ত্রপাতি এবং অন্যান্য দ্রব্যাদি (Machinery and other goods)

ক্যালরিমিটার, থার্মোমিটার, পানি, তরল, নিক্তি, স্টপওয়াচ, দুই দেয়াল বিশিষ্ট আবেষ্টনী পাত্র ইত্যাদি।

কাজের ধারা (Procedure)

১. আলোড়কসহ একটি ক্যালরিমিটার ভালোভাবে পরিষ্কার করে নিক্তির সাহায্যে ভর নির্ণয় করে আবেষ্টনীর মধ্যে নির্দিষ্ট জায়গায় রাখা হলো।

২. ক্যালরিমিটারের নিচ থেকে প্রায় দুই-তৃতীয়াংশ উপরে একটি দাগকাটা হলো।

৩. একটি বিকারে কিছু পরিমাণ পানি নিয়ে প্রায় 70^{\circ}C পর্যন্ত উত্তপ্ত করা হলো। এবার এই পানি ক্যালরিমিটারের মধ্যে ঢেকে নির্দিষ্ট দাগ পর্যন্ত পূর্ণ করা হলো। এখন ক্যালরিমিটারটিকে আবেষ্টনীর মধ্যে বসিয়ে ঢাকনা দিয়ে ঢেকে ঢাকনার ছিদ্রের মধ্য দিয়ে আলোড়ক ও থার্মোমিটার প্রবেশ করিয়ে দেয়া হলো। আবেষ্টনীর দুই দেওয়ালের মধ্যবর্তী স্থানে কিছু ঠান্ডা পানি ঢেলে দেওয়া হলো।

৪. আলোড়ক দিয়ে পানি ধীরে ধীরে নাড়া হয় এবং তাপমাত্রা 65^{\circ}C হলে স্টপওয়াচ চালিয়ে দেওয়া হয় এবং প্রতি এক মিনিট পর পর পানির তাপমাত্রার পাঠ নেওয়া হয়। পানির তাপমাত্রা যখন কক্ষ তাপমাত্রার চেয়ে 5^{\circ}C–এর বেশি দেখা যাবে তখন পাঠ নেওয়া বন্ধ করে দিতে হবে। এবার ক্যালরিমিটারটিকে আবেষ্টনীর বাইরে এনে অপরিবাহী বস্তুর উপর রেখে ঠান্ডা হতে দেওয়া হয়। পানির তাপমাত্রা কক্ষতাপমাত্রার সমান হলে ঢাকনা ও থার্মোমিটার সরিয়ে আলোড়ক ও পানিসহ ক্যালরিমিটারের ভর নির্ণয় করা হয়। এ ভর থেকে প্রথম ভর বাদ দিয়ে পানির ভর m_{2} নির্ণয় করা হয়।

৫. এখন ক্যালরিমিটার থেকে পানি বের করে মুছে শুকিয়ে নেওয়া হয়। এরপর ইতোমধ্যে একটি বিকারে পরীক্ষাধীন তরল পদার্থ নিয়ে প্রায় 70^{\circ}C পর্যন্ত উত্তপ্ত করা হয়। উত্তপ্ত তরল পদার্থ দ্বারা ক্যালরিমিটারের দাগ পর্যন্ত পূর্ণ করে ক্যালরিমিটারটিকে আবেষ্টনীর মধ্যে বসিয়ে দেয়া হলো। ক্যালরিমিটারটিকে ঢাকনা দিয়ে ঢেকে ঢাকনার ছিদ্রের মধ্য দিয়ে আলোড়ক ও থার্মোমিটার প্রবেশ করিয়ে দেওয়া হলো। আবেষ্টনীর দু দেয়ালের মধ্যবর্তী স্থানে কিছু ঠান্ডা পানি ঢেলে ৪নং কাজের ধারায় বর্ণিত প্রক্রিয়ার তাপমাত্রা ও তরলের ভর M নির্ণয় করে প্রাপ্ত উপাত্তসমূহ ছকে বসানো হলো।

৬. লেখ কাগজে X- অক্ষের দিকে সময় এবং Y-অক্ষের দিকে তাপমাত্রা বসিয়ে পানি ও তরলের জন্য দুটি লেখচিত্র অঙ্কন করা হলো (চিত্র : ১০.১৩)। লেখচিত্র থেকে তরল ও পানির তাপমাত্রা \theta_{1}^{\circ}Cথেকে \theta_{2}^{\circ}C –এ নামতে কী পরিমাণ সময় লাগল তা নির্ণয়ের জন্য \theta_{1} ও \theta_{2} দিয়ে X-অক্ষের সমান্তরাল দুটি রেখা টানা হলো।

৭. লেখচিত্র থেকে t_{1} ও t_{2} এর মান জেনে 1 নং সমীকরণের সাহায্যে তরলের আপেক্ষিক তাপ নির্ণয় করা হলো।

পর্যবেক্ষণ ও সন্নিবেশন (Observation and insertion)

১. আলোড়কসহ ক্যালরিমিটারের ভর,

m_{1}=\ldots \mathrm{kg}

২. ক্যালরিমিটারের উপাদানের আপেক্ষিক তাপ,

s_{1}=\ldots \mathrm{Jkg}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}

৩. আলোড়কসহ ক্যালরিমিটার ও পানির ভর,

m_{2}^{\prime}=\ldots \mathrm{kg}

৪. পানির ভর,

m_{2}=m_{2}^{\prime}-m_{1}=\ldots \mathrm{kg}

৫. আলোড়কসহ ক্যালরিমিটার ও তরলের ভর,

M^{\prime}=\ldots \mathrm{kg}

৬. তরলের ভর,

M=M^{\prime}-m_{1}=\ldots \mathrm{kg}

৭. পানির আপেক্ষিক তাপ, 

s_{2}=4200 \mathrm{Jkg}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}

৮. তরলের আপেক্ষিক তাপ =s=\ldots?

সময়-তাপমাত্রা ছক (Time-temperature table)  

সময় মিনিটে	0	1	2	3	4	5	6	7	8
পানির তাপমাত্রা °C
তরলের তাপমাত্রা °C

শীতলীকরণ লেখ (Cooling Graphs)

তরলের তাপমাত্রা \theta_{1}{ }^{\circ} \mathrm{C}(\ldots \ldots) থেকে \theta_{2}{ }^{\circ} \mathrm{C}(\ldots \ldots)-এ নামতে প্রয়োজনীয় সময় (লেখ থেকে), t_{1}= …… মিনিট।

পানির তাপমাত্রা \theta_{1}{ }^{\circ} \mathrm{C}(\ldots \ldots) থেকে \theta_{2}{ }^{\circ} \mathrm{C}(\ldots \ldots)-এ নামতে প্রয়োজনীয় সময় (লেখ থেকে), t_{2}= …… মিনিট।

হিসাব (Calculation)

\therefore s=\frac{1}{M}\left(\left(m_{1} s_{1}+m_{2} s_{2}\right) \frac{t_{1}}{t_{2}}-m_{1} s_{1}\right)

ফলাফল (Result)

প্রদত্ত তরলের আপেক্ষিক তাপ, s=\ldots \ldots . . \mathrm{J} \mathrm{kg}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}

সতর্কতা (Caution)

১. পানি ও তরলের আয়তন সমান নেওয়া হয়।

২. বাষ্পীভবনের ফলে পানি ও তরলের ভর যাতে কমে না যায়, সেজন্য এদেরকে স্ফুটনাঙ্কের বেশ কিছু নিচের তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করতে হবে।

৩. পানি ও তরল ক্যালরিমিটারের পরিবর্তে বিকারে রেখে উত্তপ্ত করা হয়।

৪. ক্যালরিমিটারের বাইরের তাপমাত্রার সমতা বজায় রাখার জন্য আবেষ্টনীর দুই দেয়ালের মধ্যবর্তী অংশে পানি দ্বারা পূর্ণ করা হয়।

৫. ক্যালরিমিটার সুপরিবাহক ধাতুর তৈরি হওয়া এবং ক্যালরিমিটারের দেয়াল পাতলা হওয়া উচিত।

৬. থার্মোমিটারে তাপমাত্রা মান সূক্ষ্মভাবে নির্ণয় করা হয়।