দ্বিতীয় অধ্যায় ➤ গ্যাসের আচরণ

গ্যাসের আয়তন:

গ্যাসীয় পদার্থের নিজস্ব কোনো আকার বা আয়তন থাকে না। ছোটো বা বড়ো যে-কোনো আবা পাত্রে গ্যাস রাখলে ওই গ্যাস পাত্রের আকার ও আয়তন উভয়ই ধারণ করে। গ্যাসীয় পদার্থের অনুগুলির মধ্যে আকর্ষণ বল নগণ্য এবং গতিশক্তি তীব্র। এজন্য গ্যাসের অণুগলি আবদ্ধ পাত্রের সমস্ত দিকে অতিদ্রুত ছড়িয়ে পড়ে এবং ওই পারের আকার এবং আয়তন উভয়ই ধারণ করে। এজন্য আবদ্ধ পাত্রের আয়তনকেই গ্যাসের আয়তন হিসেবে গণ্য করা হয়।

আয়তনের একক : আয়তনের CGS একক সেন্টিমিটার (cm) এবং SI একক মিটার ।

প্রমাণ চাপ : 0°বা 273 K উষ্ণতা 45° অক্ষাংশে গড় সমুদ্রপৃষ্ঠে (at mean sea level) সঠিক 76 cm উচ্চ পারদস্তস্ত যে চাপ প্রয়োগ করে, তাকে প্রমাণ চাপ বা অ্যাটমসূফিয়ার (atm) বলা হয়।

প্রমাণ উষ্ণতা : 0°C বা 273 K উষ্ণতাকে প্রমাণ উচ্চতা বলা হয়।

প্রমাণ চাপের মান: CGS পদ্ধতিতে প্রমাণ চাপের মান = 1.01325 x 10 dyn cm SI-তে মান = 101325 Pa

গ্যাসের উষ্ণতা : গ্যাসীয় পদার্থের অনুগুলি নিরন্তর গতিশীল অবস্তায় থাকে । গ্যাসের উষ্ণতা হল অনুগুলি গতিশক্তির প্রকাশ । গ্যাসের উষ্ণতা অনুগুলির গড় গতিশক্তির সমানুপাতিক ।

বায়ুমণ্ডলীয় চাপ পরিমাপের পদ্ধতি :  বায়ুমণ্ডলীয় চাপ মাপতে ব্যারোমিটার যন্ত্র  ব্যবহৃত হয়। বায়ুমণ্ডলের চাপকে সাধারণত পারদস্তম্ভের উচ্চতা দিয়ে প্রকাশ করা হয়। মনে করি, কোনো স্থানে ব্যারোমিটারের পারদস্তম্ভের উচ্চতা h পারদের ঘনত্ব d. অভিকর্ষজ ত্বরণ g

  •  ওই স্থানের বায়ুর চাপ = h x d x g

বয়েলের সূত্র শুধুমাত্র অপরিবর্তিত উদ্ধৃতায় নির্দিষ্ট গ্যাসের ক্ষেত্রে প্রযোজ্য। কিন্তু বেলুনে গ্যাস ভরতি করার সময় বেলুনের মধ্যে ক্রমাগত বাতাস ঢোকানোর ফলে বাতাসের ভর ক্রমাগত বৃদ্ধি পায়। তাই এক্ষেত্রে বয়েলের সূত্র প্রযোজ্য নয় ।

ব্যাখ্যা : তরলের গভীরতা বাড়লে তরলের চাপ বাড়ে। তাই জলাধারের তলদেশে চাপ সবথেকে বেশি। গভীর জলাধারের তলদেশ থেকে একটি বুদবুদ যত উপরের দিকে ওঠে, ততই জলের চাপ কমতে থাকে। বয়েলের সূত্রানুসারে, স্থির উন্নতায় নির্দিষ্ট ভরের কোনো গ্যাসের আয়তন গ্যাসটির চাপের সঙ্গে ব্যাস্তানুপাতে পরিবর্তিত হয় অর্থাৎ চাপ কমলে আয়তন বৃদ্ধি পায়। এক্ষেত্রে চাপ কমে যাওয়ার ফলে বুদবুদের মধ্যস্থ বায়ু আয়তনে বাড়তে থাকে। তাই গভীর | জলাধারের তলদেশ থেকে উপরের দিকে আসা বুদ্ধদের আয়তন বাড়ে।

চার্লসের সূত্র:  স্থির চাপে নির্দিষ্ট ভরের কোনো গ্যাসের আয়তন প্রতি ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা বৃদ্ধি বা হ্রাসের জন্য, 0°C তাপমাত্রায় ওই গ্যাসের যে আয়তন থাকে তার        1 ⁄273 অংশ বৃদ্ধি বা হ্রাস পায়। এই ভগ্নাংশটিকে স্থির চাপে গ্যাসের আয়তন প্রসারণ গুণাঙ্ক বলে। এর মান সব 1 ⁄273  গ্যাসের ক্ষেত্রেই সমান হয়।

চার্লসের সূত্রে পরিবর্তনশীল রাশি : গ্যাসের আয়তন (V) এবং কেলভিন উষ্ণতা (D)।

স্থির রাশি : গ্যাসের চাপ (P) এবং ভর (m)।

 

উষ্ণতার পরম স্কেলে বা কেলভিন স্কেল : 1884 খ্রিস্টাব্দে লর্ড কেলভিন উষ্ণতা যে স্কেল প্রবর্তন করেন, তাকে পরম বা কেলভিন স্কেল বলা হয়।

উষ্ণতার যে স্কেলে 273 C উচ্চতাকে শূন্য বিন্দু এবং উরতার প্রতি ডিগ্রির মানকে সেলসিয়াস স্কেলের এক ডিগ্রির সমান ধরা পরম বা কেলভিন। ঊষ্ণতা হয়, তাকে উন্নতার পরম বা কেলভিন স্কেল বলা হয়।

পরম উষ্ণতা বা কেলভিন উষ্ণতা : উষ্ণতার পরম বা কেলভিন স্কেল অনুযারী উষ্ণতার মানকে পরম বা কেলভিন উন্নতা বলা হয়। পরম বা কেলভিন উষ্ণতাকে T°A বা T K ধারা প্রকাশ করা হয়।

পরম শূন্য উষ্ণতা: যে উষ্ণতায় সমস্ত গ্যাসের চাপ ও আয়তন উভয়ই শূন্য হয়ে যায় এবং গ্যাসীয় অনুগুলির লোপ পায়, তাকে পরম শূন্য উষ্ণতা বলা হয়।

সেলসিয়াস স্কেলে এই উয়তার মান -273°C বা আরও সঠিকভাবে - 273.15°C ।

ব্যাখ্যা:  পরম শূন্য উষ্ণতায় বা - 273.15°C উষ্ণতায় সকল গ্যাসের আয়তন গাণিতিকভাবে শূন্য হয়ে যায়। | বাস্তবে - 273.15°C উষ্ণতায় পৌঁছোনোর পূর্বেই সমস্ত গ্যাস ঘনীভূত হয়ে তালে এবং জমে কঠিনে পরিণত হয়। তরল বা কঠিনের ক্ষেত্রে গ্যাসের সূত্রসমূহ প্রযোজ্য নয়। তাই বাস্তবে কোনো গ্যাসকেই পরম শূন্য উষ্ণতা পর্যন্ত ঠান্ডা করে তার আয়তন শূন্য করা যায় না।

অ্যাভোগ্যাড্রো প্রকল্পের অবদান :

(i) এই প্রকল্পেই প্রথম অণু ও পরমাণুর মধ্যে পার্থক্য করা হয়।

(ii) এই প্রকল্প গে লুসাকের গ্যাস আয়তন সূত্র ব্যাখ্যায় সাহায্য করে।

(iii) এই প্রকল্পই ডালটনের পরমাণুবাদ ও গে-লুসাকের গ্যাস আয়তন সূত্রের মধ্যে সংযোগ স্থাপন করে।

মোল : কোনো পদার্থের যে পরিমাণে পদার্থটির অ্যাভোগ্যাড্রো সংখ্যক (অর্থাৎ, 6.023 x 10^{23} টি উপাদান | কণিকা বর্তমান থাকে, সেই পরিমাণকে এই পদার্থের মোল বলে। যেমন : এক মোল অণু বা এক মোল পরমাণু বলতে যথাক্রমে 6.023 x 10^{23} সংখ্যক অণু বা পরমাণুর গ্রামে প্রকাশিত মোট ভরকে বোঝায়। অর্থাৎ ] মোল Na পরমাণু = 6.023 x 10^{23}টি Na পরমাণু 23g সোডিয়াম।

অ্যাভোগ্যাড্রোর অ্যাভোগ্যাড্রোর মতানুযায়ী অণু দু'প্রকার :

(i) মৌলিক অণু : একই মৌলিক পদার্থের পরমাণু দিয়ে গঠিত অণুকে মৌলিক অণু বলে। অণুর প্রকারভেদ: যেমন- অক্সিজেন (O_{2}), হাইড্রোজেন (H_{2}) ইত্যাদি।

(ii) যৌগিক অণু : দুই বা ততোধিক মৌলের পরমাণু দ্বারা গঠিত অণুকে যৌগিক অণু বলে। যেমন--জলের অণু(H_{2})O), অ্যামোনিয়া অণু (NH_{3}) ইত্যাদি।

গ্যাসের চাপ : আমরা আদর্শ গ্যাস সমীকরণ থেকে জানি, PV = nRT বা, P =\frac{nRT}{V} । সুতরাং গ্যাসের চাপ, গ্যাসের উন্নতা, পাত্রের ভিতরের আয়তনে উপস্থিত গ্যাসের গ্রাম অণুসংখ্যার উপর নির্ভর করে।

উষ্ণতার সেলসিয়াস স্কেল ও কেলভিন স্কেলের মধ্যে কেলভিন স্কেল বেশি মৌলিক। কারণ সেলসিয়াস স্কেলের নিম্ন স্থিরাঙ্ক 0°C-এর নির্বাচনের ক্ষেত্রে কোনো যুক্তি নেই, এটা বিজ্ঞানীর নিজস্ব মত অনুসারে করা হয়েছে। কিন্তু কেলভিন স্কেলে নিম্ন স্থিরাঙ্ক 0 K নির্বাচনের ক্ষেত্রে বিজ্ঞানসম্মত দৃঢ় যুক্তি আছে। 0 K উন্নতায় সব গ্যাসের আয়তন ও চাপ শূন্য হয়ে যায়। সুতরাং 0 K থেকে কম উন্নতা বাস্তবে থাকা অসম্ভব ।

ব্যাখ্যা : (1) প্রমাণ উন্নতা ও চাপে 22.4 লিটার যে-কোনো গ্যাস = অ্যাভোগ্যাড্রো সংখ্যক গ্যাস অণু। সুতরাং, অ্যাভোগ্যাড্রো সূত্রানুসারে প্রমাণ উন্নতা ও চাপে 22.4 1. অ্যামোনিয়া ও 22.4 1. কার্বন ডাইঅক্সাইড গ্যাসে অণুর সংখ্যা সমান হবে। (ii) অ্যামোনিয়ার ।টি অণুতে উপস্থিত পরমাণু সংখ্যা 4। সুতরাং | 22.4 L NH_{3} তে পরমাণু সংখ্যা 6.022x10^{23}x4। আবার কার্বন ডাইঅক্সাইডের (CO_{2}) 1 টি অণুতে উপস্থিত পরমাণু সংখ্যা 3 হওয়ায় 22.4 L অ্যামোনিয়ার পরমাণুর সংখ্যা 6.022x10^{23}x3 অর্থাৎ অ্যামোনিয়ার পরমাণু সংখ্যা কার্বন ডাইঅক্সাইডের তুলনায় বেশি হবে।

(i) নিষ্ক্রিয় গ্যাসগুলি ছাড়া অন্যানা মৌলিক গ্যাসগুলির অণু দ্বি-পরমাণুক ।

(ii) যে-কোনো গ্যাসের আণবিক গুরুত্ব তার বাষ্পঘনত্বের দ্বিগুণ।

(iii) প্রমাণ চাপ ও উয়তায় এক গ্রাম অণু পরিমাণ যে-কোনো গ্যাসের (মৌলিক ও যৌগিক) আয়তন 22.4 লিটার।

গ্যাসের সংকোচনশীলতা: স্থির চাপে গ্যাসের উন্নতা বাড়ালে বা স্থির উন্নতার গ্যাসের উপর চাপ কমালে গ্যাসের আয়তন কমে। এই ধর্মকে গ্যাসের সংকোচনশীলতা বলা হয়। গ্যাসীয় অণুগুলি পরস্পর কাছে সরে আসা। জন্য গ্যাসের আয়তন কমে।

গ্যাসের প্রসারণশীলতা : স্থির চাপে গ্যাসের উন্নতা কমালে বা স্থির উয়তায় গ্যাসের উপর চাপ বাড়ালে গ্যাসের আয়তন প্রসারণশীলতা বাড়ে। গ্যাসের এই ধর্মকে প্রসারণশীলতা বলা হয়। গ্যাসীয় অণুগুলির মধ্যে পারস্পরিক আদিবল নগণ্য এবং গতিশক্তি তীর হওয়ার জন্য পরস্পরের থেকে দূরে সরে যায়। এজন্য গ্যাসের আয়তন বাড়ে।

উষ্মতা স্থির থাকলে নির্দিষ্ট ভরের গ্যাসের আয়তন চাপের সঙ্গে ব্যাস্তানুপাতিক হারে পরিবর্তি হয়। আবার চাপ স্থির থাকলে নির্দিষ্ট ভরের গ্যাসের আয়তন কেলভিন স্কেলের উষ্মতা সঙ্গে সমানুপাতিক হারে পরিবর্তিত হয়। অর্থাৎ উষ্মতা ও চাপের যে-কোনো একটির সামান্য গ্যাসের আয়তন পরিবর্তিত হয় এবং একটি নির্দিষ্ট উষ্মতা ও চাপে নির্দিষ্ট ভরের গ্যাসের আয়তন নির্দিষ্ট থাকে। এজন্য গ্যাসের আয়তন উল্লেখ করার সময় উষ্মতা ও চাপ অবশ্যই উল্লেখ করা আবশ্যক ।

গ্যাসের চাপ : নির্দিষ্ট উষ্মতায় কোনো আবদ্ধ পাত্রে অবস্থিত গ্যাস ওই পাত্রের ভেতরের দেয়ালের  একক ক্ষেত্রফলযুক্ত তলের উপর লম্বভাবে যে বল প্রয়োগ করে,  তাকে এই গ্যাসের চাপ বলা হয় ।

চাপের একক : চাপের CGS একক ডাইন সেন্টিমিটার^{-2} (dyn cm^{2}) এবং SI একক প্যাম্বাল (Pa) | 1 Pa = 1N m^{2} ।

প্রমাণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ : 0°C বা 273 K উন্নত 45° অক্ষাংশে গড় সমুদ্রপৃষ্ঠে (at mean sea level 76 cm চাপ পারদস্তম্ভ যে চাপ প্রয়োগ করে, তাকে প্রমাণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ বা এক অ্যাটমসূফিয়ার (arm) বলা হয় ।

SI তে প্রমাণ চাপের মান : প্রমাণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপ = 0°C উন্নতার 76 cm বা 0.76m উচ্চ পারদস্তম্ভের চাপ

= পারদস্তম্ভের উচ্চতা x0°C  -এ পারণের ঘনত্ব × অভিকর্ষ

=0.76 x 13595.1 x 9.80665 Pa = -101325.014 Pa

= 101325 Pa ।

ব্যাখা: অপরিবর্তিত উন্নতায় নির্দিষ্ট ভরের গ্যাসের আয়তন গ্যাসটির চাপের সলো ব্যাস্তানুপাতে পরিবর্তিত হয়।

ধরা যাক, nমোল অণু গ্যাসের উষ্মতার T K, চাপ P এবং আয়তন V   I

সুতরাং, বয়েলের সূত্রানুযারী, V∝ \frac{1}{P} , যখন n এবং T-এর মান অপরিবর্তিত থাকে।

∴ V = K.\frac{1}{P}

বা, PV = K, যেখানে সমানুপাতিক ধ্রুবক। K-এর মান গ্যাসের পরিমাণ অর্থাৎ 'n' এবং উষ্মতার উপর নির্ভর করে। ধরা যাক, স্থির উয়তায় নির্দিষ্ট পরিমাণ গ্যাসের চাপ P1এবং আয়তন V1 একই উয়তায় চাপ P_{2} তে পরিবর্তিত হলে আয়তন V_{2} -তে পরিবর্তিত হয়। সুতরাং, বয়োলের সূত্রানুযায়ী, প্রাথমিক অবস্থায় P_{1}V_{1}= K এবং পরিবর্তিত অবস্থায় P_{2}V_{2} = K ।

সুতরাং, P_{1}V_{1}= P_{2}V_{2} ।  এটি হল বয়েলের সূত্রের গাণিতিক রূপ।

বয়েলের সূত্রে ধ্রুবক  :(i) গ্যাসের ভর এবং (ii)গ্যাসের উন্নতা  ।

বয়েলের এয়ার পাম্প :  বায়ু প্রথাগত নির্দেশক এবং জীবের বেঁচে থাকার জন্য একান্ত প্রয়োজন বলে বায়ুতে পরীক্ষাগুলি : করার জন্য বয়েল বায়ু পাম্প বা নিউমেটিক ইঞ্জিন ব্যবহার করেছিলেন। 1659 খ্রিস্টাব্দে বিজ্ঞানী বয়েল এই ব্যয় সাপেক্ষ লম্বাটে ধরনের যন্ত্র | প্রস্তুত করেন। এটি এক ধরনের কাচের প্রকোষ্ঠ যা সিল করা সম্ভব | এবং যার মধ্যে দিয়ে বায়ু নির্গমনের পথ বর্তমান। বয়েল এই ধরনের | যন্ত্রাংশের নাম দেন গ্রাহক বা receiver। বয়েল এই কাচের প্রকোষ্ঠে ব্যাং, সাপ ও মুরগির ছানা রেখে দেন। বায়ু নিষ্কাশন ও পুনরায় বায়ু | প্রবেশ করার পরে এই সকল প্রাণীগুলির ওপর কী প্রভাব পড়ে তা তিনি পর্যবেক্ষণ করেন।

পরম শূন্য উষ্ণতার : গ্যাসের গতিতত্ত্ব অনুসারে যে উষ্ণতায় গ্যাসের সব অণুর গতিবেগ শূন্য হয়, সেই উষ্ণতাকে পরম শূন্য উষ্ণতা বলে।

ব্যাখ্যা : কঠিন বা তরল অবস্থায় পদার্থের অণুগুলির মধ্যে তীব্র আকর্ষণ বল থাকে। এছাড়াও পদার্থের মোট আয়তনের তুলনায় গ্যাস অণুগুলির আয়তন উপেক্ষা করা যায় না। একারণে গ্যাসের গতিতত্ত্ব কঠিন বা তরলের ক্ষেত্রে প্রযোজ্য নয়।

ব্যাখ্যা : গ্যাস অণুগুলির গতির উপর গ্যাসের উয়তা নির্ভর করে। গ্যাস অণুগুলির গতি বাড়লে উন্নতা বাড়ে গতি কমলে উন্নতা কমে যায়। গ্যাস অণুগুলির গতিবেগ বাড়ার ফলে ওর গতিশক্তি বৃদ্ধি পায়। বাড়তি গতিশক্তি তাপশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। আদর্শ গ্যাসের ক্ষেত্রে প্রতি অণুর গড় গতিশক্তি গ্যাসের পরম উষ্ণতার সমানুপাতিক হয়। সুতরাং গ্যাস অণুগুলির গড় গতিশক্তি হল উন্নতার পরিমাপ।

গ্যাসীয় অণুর গড় গতিশক্তির মান কেবলমাত্র গ্যাসের উন্নতার উপর নির্ভর করে। A এবং B এই দুটি আদর্শ গ্যাসের অণুগুলির গড় গতিশক্তির মান সমান। কাজেই তাদের উন্নতাও সমান। আবার গ্যাস দুটির আয়তন, অণুর সংখ্যা এবং উয়তা সমান। সুতরাং, A ও B গ্যাসের চাপও সমান।

ব্যাখ্যা : আবদ্ধ পাত্রে রাখা কোনো গ্যাসের উন্নতা বৃদ্ধি করলে গ্যাস অণুগুলির গতিবেগ বৃদ্ধি পাবে। গ্যাসের অণুর গতিবেগ বৃদ্ধি পাওয়ায় পাত্রের দেওয়ালের সঙ্গে অণুগুলির ধাক্কা খাওয়ার হার বেড়ে যায় এবং সঙ্গে সঙ্গে ভরবেগ বৃদ্ধি পাওয়ায় দেওয়ালে প্রযুক্ত বলের পরিমাণও বেড়ে যায়। সেজন্য তাপমাত্রা বৃদ্ধি পেলে আবদ্ধ পাত্রে রাখা গ্যাসের চাপ বৃদ্ধি পাবে।

ব্যাখ্যা : গ্যাসের গতিতত্ত্ব অনুসারে, গ্যাস অণুগুলির নিজেদের মধ্যেকার বা পাত্রের দেয়ালের সাথে সংঘটিত সংঘর্ষগুলি পূর্ণ স্থিতিস্থাপক। ফলে সংঘর্ষের জন্য তাদের মোট ভরবেগ ও গতিশক্তি সংরক্ষিত থাকে।

ব্যাখ্যা : আদর্শ গ্যাসের অণুগুলির মধ্যে কোনো আকর্ষণ বল না থাকায় আদর্শ গ্যাসকে তরলে রূপান্তরিত করা যায় না। কিন্তু বাস্তব গ্যাসের অণুগুলির মধ্যে আকর্ষণ বল বর্তমান, তাই বাস্তব গ্যাসকে তরলে পরিণত করা সম্ভব।

ব্যাখ্যা : গ্যাসের উষ্ণতা অপরিবর্তিত থাকবে। কারণ, চলন্ত গাড়ির মধ্যে থাকা কোনো পাত্র মধ্যস্থ গ্যাস অণুগুলির গড়বেগ পাত্র সাপেক্ষে স্থির থাকে। যেহেতু গতিশক্তিও অপরিবর্তিত থাকবে। সুতরাং উষ্ণতা, গ্যাসটির অণুগুলির মোট গতিশক্তির সমানুপাতিক]