নিউটনের গতিসূত্র যখন গ্রহ ও কামানের গোলার নিখুঁত হিসাব দিচ্ছিল, ঠিক তখনই শিল্পবিপ্লবের চালিকাশক্তি হয়ে উঠল এক অগ্নিতাপ: বাষ্পীয় ইঞ্জিন। কয়লা খনি থেকে পানি তোলা, ট্রেন চালানো আর টেক্সটাইল মিলের চাকা ঘোরালেও কোনো প্রকৌশলী জানতেন না তাপকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরের পরম সীমা কী। ১৮২৪ সালে সাতাশ বছর বয়সী ফরাসি সামরিক প্রকৌশলী সাদি কারনট মাত্র ১১৮ পৃষ্ঠার একটি বই লিখে জন্ম দিলেন এক নতুন বিজ্ঞানের—তাপগতিবিদ্যা (Thermodynamics), যা পরবর্তীকালে উন্মোচন করে মহাবিশ্বের সময়ের একমুখী তীর: এনট্রপি।
১. কারনট চক্র ও ইঞ্জিনের পরম কর্মদক্ষতা
কারনট উপলব্ধি করেন যে তাপীয় ইঞ্জিন তাপ খরচ করে না, বরং উচ্চ তাপমাত্রা ($T_H$) থেকে নিম্ন তাপমাত্রায় ($T_C$) তাপের প্রবাহ ঘটিয়ে কাজ উদ্ধার করে—ঠিক যেমন পানি উঁচু থেকে নিচে পড়ে জলচক্রের চাকা ঘোরায়। তিনি একটি সম্পূর্ণ বিপরীতমুখী তাত্ত্বিক ইঞ্জিন কল্পনা করেন (Carnot Cycle), যার চারটি ধাপ রয়েছে:
- সমোষ্ণ প্রসারণ (Isothermal Expansion): ধ্রুব উচ্চ তাপমাত্রায় $Q_H$ তাপ শোষণ।
- রুদ্ধতাপীয় প্রসারণ (Adiabatic Expansion): কোনো তাপ আদান-প্রদান ছাড়াই গ্যাসের প্রসারণ ও শীতলীকরণ।
- সমোষ্ণ সংকোচন (Isothermal Compression): ধ্রুব নিম্ন তাপমাত্রায় $Q_C$ তাপ বর্জন।
- রুদ্ধতাপীয় সংকোচন (Adiabatic Compression): তাপ বাইরে না দিয়ে পুনরায় তাপমাত্রা $T_H$-এ ফিরিয়ে আনা।
কারনট গাণিতিকভাবে প্রমাণ করেন যে দুটি তাপমাত্রার মধ্যে কার্যকর কোনো ইঞ্জিনই একটি আদর্শ কারনট ইঞ্জিনের চেয়ে বেশি কর্মদক্ষ হতে পারে না:
২. ক্লসিয়াস এবং এনট্রপির জন্ম
১৮৫০-এর দশকে রুডলফ ক্লসিয়াস এবং লর্ড কেলভিন প্রমাণ করেন তাপ কোনো তরল নয়, অণুগুলোর বিশৃঙ্খল গতিশক্তি। শক্তি কখনো ধ্বংস হয় না—এটি তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র:
কিন্তু শক্তির নিত্যতা দিয়ে ব্যাখ্যা করা যায় না কেন তাপ স্বয়ংক্রিয়ভাবে গরম থেকে ঠাণ্ডার দিকে যায়, কিন্তু ঠাণ্ডা থেকে গরমে আসে না। ক্লসিয়াস একটি নতুন ধর্ম সংজ্ঞায়িত করেন—এনট্রপি ($S$):
তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র ঘোষণা করল: মহাবিশ্বের যেকোনো বিচ্ছিন্ন ব্যবস্থায় মোট এনট্রপি সর্বদা বৃদ্ধি পায় অথবা ধ্রুব থাকে, কখনোই হ্রাস পেতে পারে না:
৩. বোল্টজম্যান ও অণু-পরমাণুর সম্ভাব্যতার জগত
ভিয়েনায় লুডভিগ বোল্টজম্যান তাপগতিবিদ্যাকে অণু-পরমাণুর আণুবীক্ষণিক গতিবিধির সাথে যুক্ত করেন। তিনি দেখান, এনট্রপি মূলত বিশৃঙ্খলার সম্ভাব্যতার পরিমাপ—একটি নির্দিষ্ট দৃশ্যমান অবস্থার সাথে সংশ্লিষ্ট অণুগুলোর কতগুলো সম্ভাব্য বিন্যাস ($Omega$) হতে পারে:
মেঝেতে একটি কাঁচের গ্লাস পড়লে তা ভেঙে চুরমার হয়ে যায়, কিন্তু ভাঙা টুকরোগুলো কখনোই নিজে থেকে জোড়া লেগে আবার গ্লাস হয় না কেন? কারণ জোড়া গ্লাসের বিন্যাস মাত্র একটি, কিন্তু ভাঙা কাঁচের টুকরোগুলোর বিশৃঙ্খল বিন্যাস ট্রিলিয়ন ট্রিলিয়ন। এনট্রপিই নির্ধারণ করে সময়ের তীর (Arrow of Time)—সময় কেবল সেই দিকেই এগোয় যেদিকে মহাবিশ্বের বিশৃঙ্খলা বাড়ে।
