একটি সাধারণ ঘরে প্রায় পরমশূন্য তাপমাত্রার কোনো বস্তু রাখলে কী ঘটবে
· Prothom Alo
ধরুন, কোন এক শীতের সকালে আপনি রান্নাঘরে ঢুকলেন। টেবিলের ওপর রাখা আছে এক টুকরো তামা। দেখতে আর দশটা তামার টুকরোর মতোই। কিন্তু এর তাপমাত্রা পরম শূন্যের মাত্র কয়েক ডিগ্রি ওপরে। অর্থাৎ, প্রায় মাইনাস ২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস! এবার সেটি ঘরের স্বাভাবিক তাপমাত্রায় রেখে দিলেন। কী ঘটবে তখন?
Visit rouesnews.click for more information.
হয়তো ভাবছেন, তামার টুকরোটির চারপাশে মুহূর্তেই বরফ জমতে শুরু করবে। জানালার কাচ ঢেকে যাবে সাদা কুয়াশায়। একটু পর পুরো ঘরটাই বরফে জমে যাবে। একদম মুভির মতো! কিন্তু বাস্তবে এমনটা কখনোই ঘটবে না। বরং এর ঠিক উল্টোটা ঘটবে। তামার টুকরাটি আশপাশের পরিবেশ থেকে তাপ শুষে নিতে শুরু করবে, যতক্ষণ পর্যন্ত না এর তাপমাত্রা ঘরের তাপমাত্রার কাছাকাছি হয়।
তাপ দিলেও যেখানে তাপমাত্রা বাড়ে নাকোনো পদার্থের তাপমাত্রা তার ভেতরের কণাগুলোর তাপীয় গতির সঙ্গে সম্পর্কিত। সাধারণভাবে তাপমাত্রা যত বেশি, কণাগুলোর এলোমেলো গতির শক্তিও তত বেশি থাকে।
পরম শূন্য তাপমাত্রার কাছাকাছি পৌঁছালে পদার্থের ভেতরে কী ঘটে
শীতের সকালে দুই হাত একসঙ্গে ঘষে দেখেছেন নিশ্চয়ই। কিছুক্ষণ ঘষলেই হাত গরম হয়ে যায়। কিন্তু হাতের মধ্যে তো বাইরে থেকে কোনো আগুন কিংবা গরম পানি ঢোকানো হয়নি! তাহলে হাত গরম হলো কীভাবে?
আসলে দুই হাত ঘষার সময় ঘর্ষণের কারণে যান্ত্রিক শক্তি তাপে রূপান্তরিত হয়। ফলে হাতের ভেতরের অণু-পরমাণুর এলোমেলো গতি শক্তি বেড়ে যায়। এ জন্যই আমাদের হাত গরম হয়ে যায়।
কোনো পদার্থের তাপমাত্রা তার ভেতরের কণাগুলোর তাপীয় গতির সঙ্গে সম্পর্কিত। সাধারণভাবে তাপমাত্রা যত বেশি, কণাগুলোর এলোমেলো গতির শক্তিও তত বেশি থাকে। যেমন, গরম কফির পানির অণুগুলোর তাপীয় গতি ঠান্ডা কফির পানির অণুগুলোর তুলনায় বেশি।
এবার প্রশ্নে ফিরে আসা যাক। ভাবুন, কোনো বস্তুর তাপমাত্রা কমতে কমতে যদি একেবারে সর্বনিম্ন সীমায় পৌঁছে যায়, তাহলে কী হবে? এখানে সর্বনিম্ন সীমা বলতে কী বোঝায়?
তাপ ও তাপমাত্রা এক নয়; তাহলে তাপমাত্রা কীআবার ফ্রিজ থেকে বের করা ঠান্ডা পানির বোতল ঘরে রাখলে উল্টো ঘটনা ঘটে। ঘরের বাতাস ও আশপাশের বস্তু থেকে তাপ বোতলে প্রবেশ করে। ফলে বোতলের পানি ধীরে ধীরে উষ্ণ হয়।
তাপমাত্রার সর্বনিম্ন সীমার নাম পরম শূন্য তাপমাত্রা। এর মান ০ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ২৭৩.১৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রায় কোনো পদার্থের তাপীয় গতি সর্বনিম্ন পর্যায়ে পৌঁছায়। তবে এর অর্থ এই নয় যে, পদার্থের সব কণা পুরোপুরি স্থির হয়ে যায়। কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের নিয়ম অনুযায়ী, কোনো কোনো কণার ন্যূনতম শক্তি বা গতি থেকে যেতে পারে।
পরম শূন্যের নিচে তাপমাত্রা নামিয়ে আনা সাধারণ অর্থে সম্ভব নয়। কারণ, পরম শূন্যই তাপমাত্রার সর্বনিম্ন সীমা।
তাহলে ঠান্ডা কী? সহজভাবে বললে, ঠান্ডা কোনো আলাদা পদার্থ নয়, যা একটি বস্তু নিজের মধ্যে জমিয়ে রাখে। বরং দুটি বস্তুর তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে তাপ এক বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে প্রবাহিত হয়। সাধারণত তাপ বেশি তাপমাত্রার বস্তু থেকে কম তাপমাত্রার বস্তুর দিকে যায়।
যেমন, গরম চায়ের কাপে হাত রাখলে আপনার হাত গরম হয়ে ওঠে। কারণ, চায়ের কাপ থেকে আপনার হাতে তাপ প্রবাহিত হয়। আবার ফ্রিজ থেকে বের করা ঠান্ডা পানির বোতল ঘরে রাখলে উল্টো ঘটনা ঘটে। ঘরের বাতাস ও আশপাশের বস্তু থেকে তাপ বোতলে প্রবেশ করে। ফলে বোতলের পানি ধীরে ধীরে উষ্ণ হয়।
তাপমাত্রা বাড়লেই কি সব বস্তুর আয়তন বাড়েতাপমাত্রার সর্বনিম্ন সীমার নাম পরম শূন্য তাপমাত্রা। এর মান ০ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ২৭৩.১৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রায় কোনো পদার্থের তাপীয় গতি সর্বনিম্ন পর্যায়ে পৌঁছায়।
পরম শূন্যের এত কাছে পৌঁছানো যায় কীভাবে
সাধারণত পরম শূন্যে তাপমাত্রায় পৌঁছানো সম্ভব নয়। তবে বিজ্ঞানীরা এর খুব কাছাকাছি তাপমাত্রায় পদার্থকে শীতল করতে পেরেছেন। কখনো কখনো সেই তাপমাত্রা এত কম হয় যে, সাধারণ কল্পনায় তা ধরাই কঠিন।
২০০৩ সালে যুক্তরাষ্ট্রের ম্যাসাচুসেটস ইনস্টিটিউট অব টেকনোলজির (এমআইটি) গবেষকেরা সোডিয়াম পরমাণুর একটি মেঘকে অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় শীতল করেন। এর তাপমাত্রা ছিল পরম শূন্যের চেয়ে মাত্র কয়েক শ কোটি ভাগের এক ভাগ বেশি—প্রায় ৫০০ ন্যানোকেলভিন। এত কম তাপমাত্রায় পরমাণুগুলোর তাপীয় গতি স্বাভাবিক অবস্থার তুলনায় অনেক কমে যায়।
আরও বিস্ময়কর একটি ঘটনা ঘটে জার্মানির ব্রেমেন শহরে। সেখানে একটি বিশেষ ড্রপ টাওয়ারে বিজ্ঞানীরা গ্যাসের একটি মেঘকে শীতল করে প্রায় ৩৮ পিকোকেলভিন তাপমাত্রায় পৌঁছান। অর্থাৎ, পরম শূন্যের চেয়ে মাত্র ৩৮ ট্রিলিয়ন ভাগের এক ভাগ কেলভিন বেশি! এই তাপমাত্রা প্রায় দুই সেকেন্ড ধরে বজায় ছিল।
এখানে পিকোকেলভিন ও ন্যানোকেলভিনের পার্থক্যটাও মনে রাখা দরকার। এক ন্যানোকেলভিন হলো এক কেলভিনের এক শ কোটি ভাগের এক ভাগ। আর এক পিকোকেলভিন হলো এক কেলভিনের এক লাখ কোটি ভাগের এক ভাগ। তাই ৩৮ পিকোকেলভিন তাপমাত্রা পরম শূন্যের অবিশ্বাস্য রকম কাছাকাছি।
পৃথিবীর তাপমাত্রা কমানোর জাদুকরী সমীকরণআরও বিস্ময়কর একটি ঘটনা ঘটে জার্মানির ব্রেমেন শহরে। সেখানে একটি বিশেষ ড্রপ টাওয়ারে বিজ্ঞানীরা গ্যাসের একটি মেঘকে শীতল করে প্রায় ৩৮ পিকোকেলভিন তাপমাত্রায় পৌঁছান।
তামার টুকরাটি ঘরে রাখলে কী হবে
এবার ফিরে আসা যাক রান্নাঘরের টেবিলে রাখা তামার টুকরোটির কাছে। ধরা যাক, তরল হিলিয়াম দিয়ে ঠান্ডা করা এক টুকরো তামার তাপমাত্রা প্রায় ৪ কেলভিন। সেটি ঘরের স্বাভাবিক তাপমাত্রায় নিয়ে এসে টেবিলের ওপর রাখা হলো। প্রথমেই টেবিলের সংস্পর্শে থাকা অংশ দিয়ে তাপ তামার মধ্যে প্রবেশ করবে। একই সঙ্গে আশপাশের বাতাস থেকেও তাপ পাবে বস্তুটি।
ঘরের বাতাসের তাপমাত্রা যদি ২৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস হয়, তাহলে তামার টুকরোটি আর ঘরের মধ্যে তাপমাত্রার বিশাল পার্থক্য থাকবে। এই পার্থক্যের কারণে প্রথম দিকে তাপ প্রবাহের হার বেশি হতে পারে। তামার তাপমাত্রা বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে সেই পার্থক্য কমতে থাকবে।
তবে তামার টুকরোটি ঘরে রাখলেই পুরো ঘর বরফে জমে যাবে না। বরং তামার আশপাশের বাতাস সামান্য ঠান্ডা হতে পারে। সেটিও নির্ভর করবে তামার টুকরোটির আকার, ভর, ঘরের আকার এবং চারপাশ থেকে কত দ্রুত তাপ আসছে, তার ওপর। আরেকটি বিষয় ঘটতে পারে। তামার অত্যন্ত ঠান্ডা পৃষ্ঠের সংস্পর্শে এলে বাতাসের জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হয়ে পানি বা বরফে পরিণত হতে পারে। তাপমাত্রা যথেষ্ট কম থাকলে পৃষ্ঠে বরফ জমতে পারে। তাই টুকরোটির গায়ে সাদা আস্তরণ দেখা গেলেও সেটি এমন কোনো হিমশীতল রশ্মি ছড়ানোর প্রমাণ নয়। বরং বাতাসের জলীয় বাষ্প জমে যাওয়ার ফল হতে পারে।
অতিশীতল তাপমাত্রা কীভাবে তৈরি করা হয়তামার অত্যন্ত ঠান্ডা পৃষ্ঠের সংস্পর্শে এলে বাতাসের জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হয়ে পানি বা বরফে পরিণত হতে পারে। তাপমাত্রা যথেষ্ট কম থাকলে পৃষ্ঠে বরফ জমতে পারে।
মহাকাশের চেয়েও ঠান্ডা পরিবেশ!
এত কম তাপমাত্রা শুধু কৌতূহল মেটানোর জন্য তৈরি করা হয় না। আধুনিক বিজ্ঞান ও প্রযুক্তির অনেক ক্ষেত্রেই এর গুরুত্বপূর্ণ ব্যবহার রয়েছে। বিশেষ করে কোয়ান্টাম কম্পিউটারের কথা বলা যায়। কিছু কোয়ান্টাম কম্পিউটারে অতিপরিবাহী বর্তনী বা সার্কিট ব্যবহার করা হয়। এগুলোকে খুবই কম তাপমাত্রায় রাখতে হয়, যাতে তাপীয় গোলযোগ কমে এবং কিউবিটগুলো নির্দিষ্ট কোয়ান্টাম অবস্থা ধরে রাখতে পারে। এ জন্য বিশেষ হিমায়নযন্ত্র ব্যবহার করা হয়, যা তাপমাত্রা কয়েক মিলিকেলভিন পর্যন্ত নামিয়ে আনতে পারে।
এই তাপমাত্রা মহাকাশের গড় পটভূমি তাপমাত্রা, প্রায় ২.৭ কেলভিনের চেয়েও অনেক কম। তাই বলা যায়, কিছু কোয়ান্টাম কম্পিউটারের ভেতরের অংশ মহাকাশের চেয়েও ঠান্ডা পরিবেশে কাজ করে।
শীতকালে তাপমাত্রা বিভিন্ন জায়গায় ভিন্ন হয় কেনঘরের বাতাস তামার টুকরোটির সংস্পর্শে এলে তাপ তার মধ্যে প্রবাহিত হয়। ঠান্ডা হয়ে যাওয়া বাতাসের ঘনত্ব বাড়লে তা নিচে নামতে পারে। তখন তার জায়গায় উষ্ণ বাতাস এসে পৌঁছায়।
তাপ কোন দিকে প্রবাহিত হয়
এক গ্লাস ঠান্ডা লেবুর শরবত টেবিলের ওপর রেখে দিন। এক ঘণ্টা পর ফিরে এসে দেখবেন, শরবতটি আগের চেয়ে উষ্ণ হয়ে গেছে। কিন্তু শরবত গরম হওয়ার কারণে ঘরটা ঠান্ডা হয়ে যায়নি। বরং ঘরের তাপ শরবতের মধ্যে প্রবেশ করেছে। আমাদের অতি ঠান্ডা তামার টুকরোটির ক্ষেত্রেও একই ঘটনা ঘটবে।
পদার্থবিজ্ঞানের এই নিয়মকে বলা হয় তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র। সহজভাবে বললে, স্বাভাবিক অবস্থায় তাপ নিজে থেকেই বেশি তাপমাত্রার বস্তু থেকে কম তাপমাত্রার বস্তুর দিকে প্রবাহিত হয়। উল্টো দিকে তাপ প্রবাহিত করতে হলে বাইরে থেকে শক্তি সরবরাহ করতে হয়। যেমন, রেফ্রিজারেটর বিদ্যুৎ ব্যবহার করে ভেতর থেকে তাপ সরিয়ে বাইরে ছেড়ে দেয়।
তাই ঘরের স্বাভাবিক তাপমাত্রার বাতাস, দেয়াল, টেবিল ও অন্যান্য বস্তু থেকে তাপ আমাদের অতি ঠান্ডা তামার টুকরোটিতে প্রবেশ করবে। এই প্রক্রিয়া চলবে যতক্ষণ না তামার টুকরোটি ও তার চারপাশের পরিবেশের তাপমাত্রার পার্থক্য অনেকটাই কমে আসে। শেষ পর্যন্ত তাপীয় সাম্যাবস্থা তৈরি হবে।
এখানে বাতাসের গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রয়েছে। ঘরের বাতাস তামার টুকরোটির সংস্পর্শে এলে তাপ তার মধ্যে প্রবাহিত হয়। ঠান্ডা হয়ে যাওয়া বাতাসের ঘনত্ব বাড়লে তা নিচে নামতে পারে। তখন তার জায়গায় উষ্ণ বাতাস এসে পৌঁছায়। এভাবে বাতাসের চলাচলের মাধ্যমেও তামার টুকরোটিতে তাপ পৌঁছাতে থাকে। তাপ সঞ্চালনের এই প্রক্রিয়াকে বলা হয় পরিচলন।
পৃথিবীর গড় তাপমাত্রা কতসহজভাবে বললে, স্বাভাবিক অবস্থায় তাপ নিজে থেকেই বেশি তাপমাত্রার বস্তু থেকে কম তাপমাত্রার বস্তুর দিকে প্রবাহিত হয়। উল্টো দিকে তাপ প্রবাহিত করতে হলে বাইরে থেকে শক্তি সরবরাহ করতে হয়।
তবে বাতাস না থাকলেও তামার টুকরোটি উষ্ণ হতে পারে। কারণ, তাপ সঞ্চালনের আরেকটি পদ্ধতি আছে, যার নাম বিকিরণ। ঘরের দেয়াল, ছাদ, টেবিল—সব বস্তুই তড়িৎচুম্বকীয় বিকিরণের মাধ্যমে শক্তি নির্গত করে। স্বাভাবিক তাপমাত্রায় এই বিকিরণের বড় একটি অংশ থাকে অবলোহিত বা ইনফ্রারেড অঞ্চলে। এমনকি আমাদের শরীরও প্রায় ১০ মাইক্রোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অবলোহিত বিকিরণ নির্গত করে।
এই বিকিরণ তামার টুকরোটির গায়ে পড়ে শোষিত হলে সেটি শক্তি পায় এবং উষ্ণ হতে থাকে। তামার টুকরোটিও বিকিরণ নির্গত করে, তবে এর তাপমাত্রা খুব কম বলে শুরুতে তার বিকিরণও তুলনামূলক দুর্বল হবে। ফলে আশপাশ থেকে যে পরিমাণ শক্তি এটি গ্রহণ করবে, তার তুলনায় কম শক্তি বিকিরণ করে হারাবে।
মহাকাশেও এই নিয়ম প্রযোজ্য। সেখানে বাতাস না থাকায় পরিচলন সম্ভব নয়। তাই কোনো বস্তু বিকিরণের মাধ্যমে তাপ গ্রহণ বা বর্জন করতে পারে। তবে মহাকাশে কোনো বস্তু কত দ্রুত ঠান্ডা বা গরম হবে, তা নির্ভর করে তার তাপমাত্রা, আশপাশের বিকিরণ, পৃষ্ঠের বৈশিষ্ট্য এবং অন্যান্য বিষয়ের ওপর।
তাপমাত্রা বাড়লেই কি সব বস্তুর আয়তন বাড়েস্বাভাবিক তাপমাত্রায় এই বিকিরণের বড় একটি অংশ থাকে অবলোহিত বা ইনফ্রারেড অঞ্চলে। এমনকি আমাদের শরীরও প্রায় ১০ মাইক্রোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অবলোহিত বিকিরণ নির্গত করে।
প্রায়-পরম-শূন্য তাপমাত্রার তামার সংস্পর্শে এলে বাতাসে কী ঘটে
এবার কল্পনা করুন, রান্নাঘরের টেবিলে রাখা তামার টুকরোটির তাপমাত্রা মাত্র ৪ কেলভিন। অর্থাৎ, প্রায় মাইনাস ২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এর সংস্পর্শে আসা বাতাসের জন্য এটি একেবারেই অস্বাভাবিক পরিবেশ।
প্রথমে বাতাসের জলীয় বাষ্পের কথা ভাবুন। বাতাসে সব সময়ই কিছু পরিমাণ জলীয় বাষ্প থাকে। সাধারণ তাপমাত্রায় এটি গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে। কিন্তু অতি ঠান্ডা কোনো পৃষ্ঠের সংস্পর্শে এলে জলীয় বাষ্প দ্রুত তাপ হারায়। তাপমাত্রা যথেষ্ট কমে গেলে এটি সরাসরি বরফে পরিণত হতে পারে। ফলে তামার টুকরোটির গায়ে অল্প সময়ের মধ্যেই সাদা বরফের আস্তরণ জমতে শুরু করবে। তবে এখানেই শেষ নয়। কারণ, আমাদের চারপাশের বাতাস শুধু জলীয় বাষ্প দিয়ে তৈরি নয়। বাতাসে প্রায় ৭৮ শতাংশ নাইট্রোজেন এবং ২১ শতাংশ অক্সিজেন থাকে। বাকি অংশে রয়েছে আর্গন, কার্বন ডাই-অক্সাইডসহ আরও কিছু গ্যাস।
স্বাভাবিক চাপে নাইট্রোজেন প্রায় মাইনাস ১৯৬ ডিগ্রি সেলসিয়াস এবং অক্সিজেন প্রায় মাইনাস ১৮৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় তরলে পরিণত হয়। অর্থাৎ, তাপমাত্রা যথেষ্ট কমে গেলে এই গ্যাসগুলোও তরল হতে পারে। তাপমাত্রা আরও কমলে সেগুলো জমে কঠিন পদার্থে পরিণত হয়।
এবার তামার টুকরোটির তাপমাত্রার সঙ্গে তুলনা করুন। এর তাপমাত্রা প্রায় মাইনাস ২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস। অর্থাৎ, নাইট্রোজেন ও অক্সিজেনের তরল হওয়ার তাপমাত্রার চেয়েও অনেক কম। ফলে এর পৃষ্ঠের সংস্পর্শে আসা বাতাসের কিছু অংশ ঘনীভূত হয়ে তরল হতে পারে, এমনকি আরও ঠান্ডা পৃষ্ঠে জমেও যেতে পারে।
তাপমাত্রা কি পরমশূন্যের নিচে যেতে পারে?আমাদের চারপাশের বাতাস শুধু জলীয় বাষ্প দিয়ে তৈরি নয়। বাতাসে প্রায় ৭৮ শতাংশ নাইট্রোজেন এবং ২১ শতাংশ অক্সিজেন থাকে। বাকি অংশে রয়েছে আর্গন, কার্বন ডাই-অক্সাইডসহ আরও কিছু গ্যাস।
তরল অক্সিজেনের একটি মজার বৈশিষ্ট্য আছে। এটি হালকা নীল রঙের। তাই উপযুক্ত পরিস্থিতিতে তরল অক্সিজেনের ফোঁটা দেখা গেলে সেগুলো নীলচে দেখাতে পারে। তবে বাতাসের সব গ্যাস একই তাপমাত্রায় তরল হয় না। তাই বাতাস থেকে তৈরি হওয়া তরলের গঠনও সময়ের সঙ্গে বদলাতে পারে।
তামার টুকরোটির তাপমাত্রা যখন অত্যন্ত কম থাকবে, তখন এর পৃষ্ঠে জমে থাকা গ্যাসগুলোও কঠিন হয়ে যেতে পারে। ফলে শুধু জলীয় বাষ্পের বরফ নয়, বাতাসের অন্যান্য উপাদানের জমাট আস্তরণও তৈরি হতে পারে। পরে তামার টুকরোটি উষ্ণ হতে থাকলে এই জমাট পদার্থগুলো গলবে বা বাষ্পে পরিণত হবে।
এ কারণেই অতি ঠান্ডা কোনো বস্তুর চারপাশে সাদা ধোঁয়ার মতো মেঘ দেখা যেতে পারে। তবে এই সাদা মেঘ আসলে ধোঁয়া নয়। সাধারণত ঠান্ডা পৃষ্ঠের সংস্পর্শে এসে বাতাসের জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হলে ক্ষুদ্র জলকণা বা বরফকণা তৈরি হয়। এগুলোই আলো ছড়িয়ে সাদা মেঘের মতো দেখায়।
এমন ঘটনা বোঝার জন্য একটি সহজ উদাহরণ হলো তরল নাইট্রোজেন। একটি বেলুনকে তরল নাইট্রোজেনে ঠান্ডা করলে বেলুনের ভেতরের গ্যাস ঠান্ডা হয়ে সংকুচিত হয়। ফলে বেলুনটি কুঁচকে যায়। পরে বেলুনটিকে বাইরে এনে উষ্ণ হতে দিলে ভেতরের গ্যাস আবার প্রসারিত হয় এবং বেলুনটি আগের আকার ফিরে পেতে পারে।
তাপমাত্রার স্কেল ও থার্মোমিটারের ইতিহাসশুধু জলীয় বাষ্পের বরফ নয়, বাতাসের অন্যান্য উপাদানের জমাট আস্তরণও তৈরি হতে পারে। পরে তামার টুকরোটি উষ্ণ হতে থাকলে এই জমাট পদার্থগুলো গলবে বা বাষ্পে পরিণত হবে।
একটি অতি ঠান্ডা তামার টুকরো কি পুরো ঘরকে ঠান্ডা করে দিতে পারে
এবার আসা যাক সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্নে। ধরুন, এক কিলোগ্রাম ওজনের একটি তামার টুকরোকে তরল হিলিয়াম দিয়ে ৪ কেলভিন তাপমাত্রায় ঠান্ডা করা হয়েছে। সেটি রান্নাঘরের টেবিলে রাখলে কি পুরো ঘর ঠান্ডা হয়ে যাবে? উত্তর হলো, তামার টুকরোটি আশপাশ থেকে তাপ শোষণ করবে ঠিকই, কিন্তু একটি সাধারণ ঘরকে ঠান্ডা করার মতো ক্ষমতা তার নেই।
বিষয়টি বুঝতে হলে জানতে হবে, কোনো বস্তুর তাপমাত্রা বাড়াতে কত শক্তি লাগে। এই ক্ষমতাকে বলা হয় তাপধারণ ক্ষমতা। তামার তাপধারণ ক্ষমতা তাপমাত্রার সঙ্গে বদলে যায়। সাধারণ তাপমাত্রায় এক কিলোগ্রাম তামার তাপমাত্রা এক ডিগ্রি সেলসিয়াস বাড়াতে প্রায় ৩৮৫ থেকে ৩৯০ জুল শক্তি লাগে। কিন্তু অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় তামার তাপধারণ ক্ষমতা অনেক কমে যায়।
৪ কেলভিন তাপমাত্রায় তামার তাপধারণ ক্ষমতা এতই কম যে, প্রথম দিকে অল্প শক্তি গ্রহণ করেই এর তাপমাত্রা বেশ খানিকটা বাড়তে পারে। তবে তাপমাত্রা বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে তাপধারণ ক্ষমতাও বাড়ে। ফলে ঘরের স্বাভাবিক তাপমাত্রায় পৌঁছাতে তামার টুকরোটিকে মোটামুটি ৭৮ কিলোজুল শক্তি শোষণ করতে হবে।
এবার একটি সাধারণ রান্নাঘরের কথা ভাবুন। ঘরের দৈর্ঘ্য ৪ মিটার, প্রস্থ ৫ মিটার এবং উচ্চতা ৩ মিটার হলে এর আয়তন দাঁড়ায় ৬০ ঘনমিটার। এই ঘরে প্রায় ৬০ থেকে ৭০ কিলোগ্রাম বাতাস থাকতে পারে।
তাপ কী, কীভাবে তাপশক্তি উৎপন্ন হয়সাধারণ তাপমাত্রায় এক কিলোগ্রাম তামার তাপমাত্রা এক ডিগ্রি সেলসিয়াস বাড়াতে প্রায় ৩৮৫ থেকে ৩৯০ জুল শক্তি লাগে। কিন্তু অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় তামার তাপধারণ ক্ষমতা অনেক কমে যায়।
ঘরের বাতাসের তাপমাত্রা এক ডিগ্রি সেলসিয়াস কমাতে প্রায় ৬০ থেকে ৭০ কিলোজুল শক্তি বের করে নিতে হবে। এই হিসাব থেকে মনে হতে পারে, এক কিলোগ্রাম অতি ঠান্ডা তামার টুকরো বাতাসের তাপমাত্রা প্রায় এক ডিগ্রি কমিয়ে দিতে পারে।
কিন্তু এখানে একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় আছে। ঘরের বাতাসই একমাত্র তাপের উৎস নয়। টেবিল, দেয়াল, মেঝে, ছাদ এবং ঘরের ভেতরে থাকা অন্যান্য বস্তু থেকেও তাপ তামার টুকরোটিতে প্রবাহিত হবে। এসব বস্তুর সম্মিলিত তাপধারণ ক্ষমতা সাধারণত ঘরের বাতাসের তুলনায় অনেক বেশি।
তাই তামার টুকরোটি ঘরের বাতাস থেকে কিছু তাপ শোষণ করলেও আশপাশের অন্যান্য বস্তু থেকেও তাপ পাবে। ফলে পুরো ঘরের তাপমাত্রা উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যাওয়ার সম্ভাবনা নেই। বরং টুকরোটির কাছাকাছি বাতাস সাময়িকভাবে ঠান্ডা হতে পারে, আর এর পৃষ্ঠে জলীয় বাষ্প জমে বরফ তৈরি হতে পারে। তবে বাস্তবে তাপ কী হারে প্রবাহিত হবে, কতটা জলীয় বাষ্প বা অন্য গ্যাস তামার পৃষ্ঠে জমবে এবং বস্তুটি কত দ্রুত উষ্ণ হবে—এসব নির্ভর করবে ঘরের আকার, বাতাসের চলাচল, আর্দ্রতা, তামার টুকরোটির পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল ও অন্যান্য বিষয়ের ওপর।
কোনো পদার্থকে তাপ দিলে তা প্রসারিত হয় কেনতামার টুকরোটি ঘরের বাতাস থেকে কিছু তাপ শোষণ করলেও আশপাশের অন্যান্য বস্তু থেকেও তাপ পাবে। ফলে পুরো ঘরের তাপমাত্রা উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যাওয়ার সম্ভাবনা নেই।
পরম শূন্যের কাছাকাছি ঠান্ডা কোনো বস্তুকে স্পর্শ করলে কী হবে
এবার আপনি তামার টুকরোটিকে ছোঁয়ার কথা ভাবুন। তবে সাবধান! বাস্তবে এমন বস্তু খালি হাতে স্পর্শ করার চেষ্টা করা বিপজ্জনক। আপনার হাতের তাপমাত্রা প্রায় ৩০ থেকে ৩৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস। অন্যদিকে, তামার টুকরোটির তাপমাত্রা মাত্র ৪ কেলভিন, অর্থাৎ প্রায় মাইনাস ২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস। দুটির মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য বিপুল। ফলে হাতের সংস্পর্শে আসা অংশ থেকে তাপ দ্রুত তামার মধ্যে প্রবাহিত হবে।
ত্বকের আর্দ্রতা মুহূর্তেই জমে যেতে পারে। ত্বকের পানি জমে যাওয়া এবং কোষের ক্ষতি হওয়ার কারণে গুরুতর ঠান্ডাজনিত ক্ষত তৈরি হতে পারে। ভেজা ত্বক ঠান্ডা পৃষ্ঠের সঙ্গে আটকে গেলে সরিয়ে নেওয়ার সময় ত্বক ছিঁড়েও যেতে পারে। তরল নাইট্রোজেনের মতো অতিশীতল পদার্থের সংস্পর্শেও এমন বিপদ দেখা যায়। তাই ক্রায়োজেনিক বা অতিশীতল পদার্থ নিয়ে কাজ করার সময় বিশেষ সুরক্ষাব্যবস্থা প্রয়োজন। সাধারণ গ্লাভস যথেষ্ট নয়; কাজের ধরন অনুযায়ী উপযুক্ত সুরক্ষাসামগ্রী ব্যবহার করতে হয়।
তাপ, আলো ও শব্দ আমাদের পরম বন্ধুত্বকের পানি জমে যাওয়া এবং কোষের ক্ষতি হওয়ার কারণে গুরুতর ঠান্ডাজনিত ক্ষত তৈরি হতে পারে। ভেজা ত্বক ঠান্ডা পৃষ্ঠের সঙ্গে আটকে গেলে সরিয়ে নেওয়ার সময় ত্বক ছিঁড়েও যেতে পারে।
তবে তামার টুকরোটিকে স্পর্শ করলেই হাত সঙ্গে সঙ্গে পাথরের মতো জমে যাবে—এমনটা বলা ঠিক হবে না। ক্ষতির মাত্রা নির্ভর করবে সংস্পর্শের সময়, তাপ স্থানান্তরের হার এবং ত্বকের অবস্থার ওপর। কিন্তু এত কম তাপমাত্রার বস্তু সরাসরি স্পর্শ করা গুরুতর আঘাতের কারণ হতে পারে।
আরেকটি বিপদের কথাও মনে রাখা দরকার। তরল নাইট্রোজেন বাষ্পে পরিণত হলে তার আয়তন অনেক বেড়ে যায়। পর্যাপ্ত বায়ু চলাচল না থাকলে নাইট্রোজেন ঘরের বাতাস থেকে অক্সিজেনের অনুপাত কমিয়ে দিতে পারে। এতে শ্বাস নেওয়ার মতো অক্সিজেনের অভাব তৈরি হতে পারে। তবে তামার টুকরোটির ক্ষেত্রে ঝুঁকির ধরন কিছুটা আলাদা। এর পৃষ্ঠে বাতাসের উপাদান জমে যেতে পারে, কিন্তু সেটি নিজে থেকেই বিপুল পরিমাণ নাইট্রোজেন ছেড়ে দেবে না।
বাতাস থাকলে শীত বেশি মনে হয় কেনতরল নাইট্রোজেন বাষ্পে পরিণত হলে তার আয়তন অনেক বেড়ে যায়। পর্যাপ্ত বায়ু চলাচল না থাকলে নাইট্রোজেন ঘরের বাতাস থেকে অক্সিজেনের অনুপাত কমিয়ে দিতে পারে।
মানুষকে কি পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রায় নিয়ে যাওয়া সম্ভব
মানুষের শরীরের অধিকাংশই পানি দিয়ে গঠিত। শরীরের তাপমাত্রা হঠাৎ অনেক কমে গেলে কোষ ও টিস্যুর ক্ষতি হতে শুরু করে। বিশেষ করে পানি জমে বরফ হলে বরফের স্ফটিক কোষের গঠন নষ্ট করতে পারে। ফলে একটি ধাতব বস্তু খুবই ঠান্ডা করা আর একটি জীবন্ত মানুষকে একই তাপমাত্রায় নিয়ে যাওয়া সম্পূর্ণ ভিন্ন বিষয়।
এই সমস্যার সঙ্গে সম্পর্কিত একটি গবেষণাক্ষেত্র হলো ক্রায়োনিক্স। এতে মৃত্যুর পর কোনো ব্যক্তির দেহ বা মস্তিষ্ককে অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় সংরক্ষণের চেষ্টা করা হয়, ভবিষ্যতে চিকিৎসাবিজ্ঞানের উন্নতির মাধ্যমে তাকে ফিরিয়ে আনা সম্ভব হবে—এমন আশায়। তবে এখন পর্যন্ত ক্রায়োনিক্সের মাধ্যমে কোনো মৃত মানুষকে পুনরুজ্জীবিত করার নির্ভরযোগ্য বৈজ্ঞানিক পদ্ধতি প্রতিষ্ঠিত হয়নি।
অতএব, পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রা তৈরি করা বিজ্ঞানীদের জন্য সম্ভব হলেও, সেই তাপমাত্রায় জীবন্ত মানুষকে নিরাপদে রাখা বা পরে আগের অবস্থায় ফিরিয়ে আনা এখনো বিজ্ঞানের বড় চ্যালেঞ্জ।
০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচেও পানি তরল থাকে কীভাবেক্রায়োনিক্সে মৃত্যুর পর কোনো ব্যক্তির দেহ বা মস্তিষ্ককে অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় সংরক্ষণের চেষ্টা করা হয়, ভবিষ্যতে চিকিৎসাবিজ্ঞানের উন্নতির মাধ্যমে তাকে ফিরিয়ে আনা সম্ভব হবে—এমন আশায়।
তাহলে সাধারণ ঘরে অতি ঠান্ডা বস্তু রাখলে কী ঘটবে
এবার পুরো ঘটনাটি একবার কল্পনা করুন। আপনি রান্নাঘরের টেবিলে পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রার একটি তামার টুকরো রাখলেন।
প্রথমে এর পৃষ্ঠে বাতাসের জলীয় বাষ্প জমে বরফ তৈরি হতে পারে। তামার পৃষ্ঠ আরও ঠান্ডা থাকায় উপযুক্ত পরিস্থিতিতে বাতাসের অন্যান্য উপাদানও ঘনীভূত বা জমাট বাঁধতে পারে। আশপাশের বাতাসের জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হয়ে ক্ষুদ্র জলকণা বা বরফকণা তৈরি করলে সাদা কুয়াশার মতো দেখাতে পারে।
তবে এই দৃশ্য সব সময় একই রকম হবে না। তামার টুকরোটির আকার, তাপমাত্রা, বাতাসের আর্দ্রতা, ঘরের বায়ুচলাচল এবং অন্যান্য বিষয়ের ওপর ফলাফল নির্ভর করবে। তাই নির্দিষ্ট সময় পর ঠিক কী পরিমাণ বরফ জমবে বা কতটা কুয়াশা তৈরি হবে, তা নিশ্চিত করে বলা যায় না।
এদিকে ঘরের বাতাস, টেবিল, দেয়াল ও মেঝে থেকে তাপ তামার টুকরোটিতে প্রবেশ করতে থাকবে। তামার তাপমাত্রা বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে এর চারপাশে বরফ জমার প্রক্রিয়া ধীর হয়ে আসবে। জমে থাকা বরফ গলতে বা বাষ্পে পরিণত হতে পারে। একসময় তামার টুকরোটি ঘরের তাপমাত্রার কাছাকাছি পৌঁছে যাবে। ঘরের তাপমাত্রা সামান্য কমতে পারে, বিশেষ করে তামার টুকরোটির কাছাকাছি। কিন্তু ঘরের দেয়াল, মেঝে, আসবাবপত্র ও অন্যান্য বস্তু থেকেও তাপ আসবে বলে পুরো ঘর বরফে জমে যাওয়ার মতো ঘটনা ঘটবে না।
লেখক: প্রদায়ক, বিজ্ঞানচিন্তাসূত্র: সায়েন্স এবিসিহিমাঙ্কের নিচেও পানি তরল থাকে কীভাবে