কনজুগেট হিট ট্রান্সফার কী ?

কনজুগেট তাপ স্থানান্তর হল তাপ স্থানান্তরের এমন একটি মৌলিক ধারণা যা একটি সীমানায় কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে একযোগে তাপ স্থানান্তরকে অন্তর্ভুক্ত করে। এই ঘটনাটি বিভিন্ন প্রকৌশল প্রয়োগে ঘটে, যেমন তাপ বিনিময়কারী, রেফ্রিজারেশন সিস্টেম এবং ইলেকট্রনিক কুলিং সিস্টেমে।

একটি সীমানায় এবং ফ্লুইডের মধ্যে তাপ স্থানান্তর

যখন কোন কঠিন বস্তু কোন ফ্লুইডের সংস্পর্শে আসে, যেমন গ্যাস বা তরল পদার্থ, তখন তাপ স্থানান্তর দুটি মাধ্যমের সীমানায় ঘটে । এই তাপ স্থানান্তর পরিবাহিতা (Conduction) এবং পরিচলনের (Convection) নীতি দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয় । পরিবাহিতা বলতে বোঝায় একটি কঠিন পদার্থের মাধ্যমে তাপের স্থানান্তর, উচ্চ তাপমাত্রার অঞ্চল থেকে নিম্ন তাপমাত্রার অঞ্চলে। এটি কঠিন পদার্থের মধ্যে পরমাণু বা অণুর সংঘর্ষের কারণে ঘটে, যেখানে উচ্চ শক্তির কণাগুলি তাদের শক্তি নিম্ন শক্তির কণাগুলিতে স্থানান্তর করে। তাপীয় ভারসাম্য অর্জিত না হওয়া পর্যন্ত শক্তির এই স্থানান্তর চলতে থাকে, যার ফলে কঠিন পদার্থের মধ্যে অভিন্ন তাপমাত্রা বন্টন ঘটে।
অন্যদিকে, পরিচলন বলতে ফ্লুইডের গতির মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরকে বোঝায়। এটি দুটি উপায়ে ঘটতে পারে: জোরপূর্বক পরিচলন (Forced Convection) এবং প্রাকৃতিক পরিচলন (Natural Convection)।

যখন ফ্লুইডটি বাইরের কোন শক্তি, যেমন পাখা বা পাম্প দ্বারা চালিত হয়, তখন জোরপূর্বক পরিচলন ঘটে। ফ্লুইডের গতি কঠিন এবং ফ্লুইড পদার্থের মধ্যে যোগাযোগ বৃদ্ধি করে তাপ স্থানান্তরকে উন্নত করে, যার ফলে তাপীয় শক্তির আরও দক্ষ বিনিময় সম্ভব হয়। এটি সাধারণত তাপ বিনিময়কারী প্রভৃতি অ্যাপ্লিকেশনে দেখা যায়, যেখানে তাপ স্থানান্তর সহজতর করার জন্য ফ্লুইডকে কঠিন পৃষ্ঠের উপর দিয়ে প্রবাহিত করতে বাধ্য করা হয়। অন্যদিকে, প্রাকৃতিক পরিচলন, তাপমাত্রার তারতম্যের কারণে ঘনত্বের পার্থক্যের ফলে সৃষ্ট ফ্লুইড গতির উপর নির্ভর করে। যখন একটি কঠিন বস্তু ফ্লুইডের সংস্পর্শে আসে, তখন কঠিন পৃষ্ঠের সাথে সরাসরি সংস্পর্শে থাকা ফ্লুইডটি উত্তপ্ত হয়ে যায় এবং কম ঘন হয়ে যায়। ফলস্বরূপ, এটি উপরে উঠে যায়, যা পরিচলন স্রোত(Convective Current) নামে পরিচিত একটি প্রবাহ প্যাটার্ন তৈরি করে। উত্তপ্ত ফ্লুইডের এই ঊর্ধ্বমুখী গতি চারপাশের শীতল ফ্লুইড দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়, যা ফ্লুইডের একটি অবিচ্ছিন্ন সঞ্চালন তৈরি করে এবং তাপ স্থানান্তরকে উৎসাহিত করে।

কনজুগেট তাপ স্থানান্তরের প্রেক্ষাপটে, পরিবাহী এবং পরিচলন উভয়ই কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে সামগ্রিক তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়ায় অবদান রাখে। তাপ স্থানান্তরের হার বিভিন্ন পরামিতির উপর নির্ভর করে, যথা কঠিন পদার্থের তাপ পরিবাহিতা, কঠিন-ফ্লুইড সংযোগ তলে তাপ স্থানান্তর সহগ, কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য। তাপ স্থানান্তর ঘটে পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল অনুযায়ী। একটি বস্তুর মধ্য দিয়ে তাপ কত সহজে সঞ্চালিত হতে পারে, তা নির্ধারিত হয় কঠিন পদার্থের তাপ পরিবাহিতা (Thermal Conductivity) দ্বারা। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন পদার্থ হল তাপের দক্ষ পরিবাহী, যেমন ধাতু । অন্যদিকে কম তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন পদার্থ হল দুর্বল পরিবাহী, যেমন অন্তরক। কঠিন-তরল সংযোগ তলে তাপ স্থানান্তর সহগ, দুটি মাধ্যমের মধ্যে তাপ স্থানান্তরের দক্ষতা নির্দেশ করে। এটি ফ্লুইডের প্রকৃতি, কঠিন পৃষ্ঠের রুক্ষতা এবং ফ্লুইডের বেগের উপর নির্ভর করে। উচ্চতর তাপ স্থানান্তর সহগ একটি দক্ষতর তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়ার নির্দেশক। কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য, তাপ স্থানান্তরকে চালিত করার ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। তাপমাত্রার পার্থক্য যত বেশি হবে, তাপ স্থানান্তরের হার তত বেশি হবে। এই তাপমাত্রার পার্থক্য যথাক্রমে কঠিন পদার্থ বা ফ্লুইডের মধ্যে বজায় রাখা যেতে পারে তাপ উৎস বা সিঙ্ক প্রদান করে (providing heat source or heat sink) ।

যে ক্ষেত্রফলের ওপর তাপ স্থানান্তর হয় তা তাপ স্থানান্তরের হারকেও প্রভাবিত করে। বৃহত্তর পৃষ্ঠতল কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে আরও বেশি যোগাযোগের সুযোগ করে দেয়, যা তাপ স্থানান্তরের হার বৃদ্ধি করে। এই কারণেই তাপ বিনিময়কারীরা প্রায়শই ফিনযুক্ত পৃষ্ঠতল বা বর্ধিত পৃষ্ঠতল ধারণ করে যাতে তাপ স্থানান্তরের জন্য উপলব্ধ পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল সর্বাধিক হয়।

পরিবাহিতা (Conduction)

পূর্বে যা উল্লিখিত হয়েছে তার ভিত্তিতে পরিবাহিতা হল এমন একটি প্রক্রিয়া যার মাধ্যমে তাপ একটি কঠিন পদার্থের মধ্য দিয়ে স্থানান্তরিত হয়। কঠিন পদার্থে, আণবিক কম্পন এবং সংঘর্ষের মাধ্যমে তাপ স্থানান্তরিত হয়। তাপ পরিবাহিতার প্রক্রিয়াটিকে ফুরিয়ার সূত্র দ্বারা বর্ণনা করা যেতে পারে। এই সূত্র অনুযায়ী তাপ স্থানান্তরের হার কঠিন পদার্থ জুড়ে তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্টের সমানুপাতিক। এই সম্পর্কটি এভাবে প্রকাশ করা যেতে পারে:

q = -k ∇T

যেখানে q হল তাপ স্থানান্তর হার, k হল কঠিন পদার্থের তাপ পরিবাহিতা, এবং ∇T হল তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট। উপযুক্ত ডিফারেনশিয়াল (অবকলন) সমীকরণ সমাধান করে , কঠিন পদার্থের মধ্যে তাপমাত্রা বন্টন নির্ধারণ করা যেতে পারে, যা থেকে তাপ স্থানান্তর আচরণ সম্পর্কে অন্তর্দৃষ্টি লাভ করা যায়।

একটি কঠিন পদার্থের তাপ পরিবাহিতা বিভিন্ন বিষয়ের উপর নির্ভর করে, যেমন পদার্থের গঠন, ঘনত্ব এবং কেলাস গঠন। আসুন কঠিন পদার্থের তাপ পরিবাহিতা সম্পর্কে আরও গভীরভাবে জেনে নিই। যখন কোনও কঠিন পদার্থের এক প্রান্তে তাপ প্রয়োগ করা হয়, তখন তাপ উৎসের কাছাকাছি অণুগুলি তীব্রভাবে কম্পিত হতে শুরু করে। এই কম্পনগুলি সংঘর্ষের মাধ্যমে পার্শ্ববর্তী অণুগুলিতে প্রেরণ করা হয়। ফলস্বরূপ, শক্তি ধীরে ধীরে গরম প্রান্ত থেকে কঠিন পদার্থের ঠান্ডা অঞ্চলে স্থানান্তরিত হয়। এটা মনে রাখা জরুরি যে, কোনও পদার্থের তাপ পরিবাহিতা সরাসরি তাপ সঞ্চালনের গতির সাথে সম্পর্কিত। উদাহরণস্বরূপ, ধাতুগুলির মধ্যে ঠাসাঠাসি হয়ে থাকা পরমাণু এবং মুক্ত-প্রবাহিত ইলেকট্রনগুলির উচ্চ তাপ পরিবাহিতা থাকে। এটি তাদের দ্রুত তাপ স্থানান্তর করতে সাহায্য করে এবং ব্যাখ্যা করে যে কেন ধাতব বস্তুগুলি ঘরের তাপমাত্রার স্পর্শেও ঠান্ডা বোধ করে। অন্যদিকে, কাঠ বা রাবারের মতো অন্তরকগুলির আণবিক গঠনের কারণে তাপ পরিবাহিতা কম থাকে। এই পদার্থগুলিতে, পরমাণুগুলি ততটা ঘনিষ্ঠভাবে ঠাসা থাকে না এবং তাপ স্থানান্তরের জন্য কম মুক্ত ইলেকট্রন পাওয়া যায়। ফলস্বরূপ, অন্তরকগুলি তাপের দুর্বল পরিবাহী। যে কারণে এগুলি সাধারণত অন্তরক হিসেবে ব্যবহৃত হয়। অনেক প্রকৌশলে কঠিন পদার্থের মধ্যে তাপমাত্রা বন্টন বোঝা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। উদাহরণস্বরূপ, ইলেকট্রনিক ডিভাইসের নকশায়, উপাদানগুলি যাতে অতিরিক্ত গরম না হয় তা নিশ্চিত করাটা গুরুত্বপূর্ণ। এই ডিভাইসগুলিতে ব্যবহৃত কঠিন পদার্থের মধ্যে তাপমাত্রা বন্টন বিশ্লেষণ করা হয় । ইঞ্জিনিয়াররা সম্ভাব্য হটস্পটগুলি সনাক্ত করতে পারেন এবং ক্ষতি রোধ করার জন্য উপযুক্ত শীতলীকরণ প্রক্রিয়া বাস্তবায়ন করতে পারেন। অধিকন্তু, কঠিন পদার্থে তাপ পরিবাহিতাকে অধ্যয়নের ব্যবহারিক প্রভাব রয়েছে পদার্থ বিজ্ঞান এবং তাপগতিবিদ্যার মতো ক্ষেত্রে। গবেষকরা বিভিন্ন পদার্থের তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলি অনুসন্ধান করতে পারেন এবং নির্দিষ্ট প্রয়োগের জন্য উন্নত তাপ পরিবাহিতা সহ নতুন সংকর ধাতু বা কম্পোজিট তৈরি করতে পারেন। এই জ্ঞান দক্ষ তাপ বিনিময়কারী এবং তাপ ব্যবস্থাপনা ব্যবস্থার বিকাশেও সহায়তা করে।পরিচালন(Convection)

Convection (পরিচালন) = Conduction (পরিবাহিতা) + Advection ( অ্যাডভেকশন, যার অর্থ হল তরল বা গ্যাসের মাধ্যমে কোনো পদার্থের স্থানান্তরের প্রক্রিয়া। এটি সাধারণত অনুভূমিকভাবে ঘটে এবং এর ফলে দূষক, শক্তি বা অন্যান্য উপাদান একটি স্থান থেকে অন্য স্থানে পরিবাহিত হয়।) এটি হল পরিচালনের সার কথা। কঠিন এবং ফ্লুইডের মধ্যে তাপ স্থানান্তরে পরিচলন গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। ফ্লুইডটি কঠিন পৃষ্ঠের সংস্পর্শে আসার সাথে সাথে পরিবাহী পদার্থের মাধ্যমে তাপ শোষণ করে। উত্তপ্ত ফ্লুইডটি তখন উত্তপ্ত বলের কারণে উপরে উঠে যায়, ফ্লুইডের গতি তৈরি করে এবং পরিচলনের মাধ্যমে কঠিন পদার্থ থেকে তাপ দূরে স্থানান্তরিত করে। যদি ফ্লুইডের গতি কোনও বাহ্যিক বল, যেমন পাখা বা পাম্প দ্বারা প্ররোচিত হয়, তাহলে এই প্রক্রিয়াটিকে ‘বলপূর্বক পরিচলন’ বলা হয়। বিপরীতভাবে, যখন তরল পদার্থের গতি কেবলমাত্র তাপমাত্রার তারতম্যের কারণে ঘনত্বের পার্থক্য দ্বারা পরিচালিত হয় তখন প্রাকৃতিক পরিচলন ঘটে। তাপ স্থানান্তর সহগ(Convective Heat Transfer Coefficient), যা h দ্বারা সূচিত , তা কঠিন পৃষ্ঠ এবং তরলের মধ্যে পরিবাহী তাপ স্থানান্তরকে চিহ্নিত করে। এটি তরলের কঠিন পৃষ্ঠ থেকে তাপ নিষ্কাশনের ক্ষমতার প্রতিনিধিত্ব করে। তাপ স্থানান্তর সহগ বিভিন্ন কারণের উপর নির্ভর করে। তার মধ্যে রয়েছে তরলের বৈশিষ্ট্য (যেমন, সান্দ্রতা , ঘনত্ব), প্রবাহের অবস্থা (যেমন, প্রবাহ বেগ, অস্থিরতা ), এবং কঠিন পৃষ্ঠের জ্যামিতিক বৈশিষ্ট্য (যেমন, রুক্ষতা, আকৃতি)। কনজুগেট তাপ স্থানান্তর ব্যবস্থায় তাপ স্থানান্তর হারের পূর্বাভাস এবং অনুকূলকরণের জন্য কঠিন এবং ফ্লুইড উভয় ক্ষেত্রেই পরিবাহিতা এবং পরিচলনের প্রক্রিয়াগুলি বোঝা অপরিহার্য। বিশ্লেষণাত্মক মডেলিং, সংখ্যাসূচক (numerical) সিমুলেশন এবং পরীক্ষামূলক কৌশলগুলি সাধারণত এই জাতীয় ব্যবস্থায় তাপ স্থানান্তর ঘটনা বিশ্লেষণের জন্য ব্যবহৃত হয়।