দহনের বিজ্ঞান: একটি বিস্তারিত নির্দেশিকা

দহন, যা প্রায়শই সহজভাবে পোড়ানো হিসাবে পরিচিত, একটি মৌলিক রাসায়নিক প্রক্রিয়া যা তাপ এবং আলোর আকারে শক্তি নির্গত করে। এটি বিদ্যুৎ উৎপাদন এবং পরিবহন থেকে শুরু করে হিটিং এবং ম্যানুফ্যাকচারিং পর্যন্ত অনেক শিল্পের মেরুদণ্ড। শক্তি উৎপাদনকে সর্বোত্তম করা, দূষণ কমানো এবং টেকসই প্রযুক্তি বিকাশের জন্য দহনের বিজ্ঞান বোঝা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এই নির্দেশিকাটি দহন বিজ্ঞানের নীতি, প্রয়োগ এবং ভবিষ্যতের প্রবণতাগুলির একটি বিস্তারিত সংক্ষিপ্ত বিবরণ প্রদান করে।

দহন কী?

এর মূলে, দহন হলো একটি পদার্থের সাথে জারক, সাধারণত অক্সিজেনের, দ্রুত রাসায়নিক বিক্রিয়া যার ফলে তাপ এবং আলো উৎপন্ন হয়। এই বিক্রিয়াটি তাপমোচী (exothermic), যার মানে এটি শক্তি নির্গত করে। প্রক্রিয়াটিতে সাধারণত একটি জ্বালানি (যে পদার্থটি পুড়ছে) এবং একটি জারক (যে পদার্থ দহনে সহায়তা করে) জড়িত থাকে। দহনের ফলে সাধারণত কার্বন ডাই অক্সাইড (CO2) এবং জলীয় বাষ্প (H2O) এর মতো গ্যাস তৈরি হয়, পাশাপাশি জ্বালানি এবং অবস্থার উপর নির্ভর করে অন্যান্য যৌগও তৈরি হতে পারে।

দহনের মূল উপাদান:

• জ্বালানি: যে পদার্থ জারিত হয়। সাধারণ জ্বালানির মধ্যে রয়েছে হাইড্রোকার্বন (যেমন মিথেন, প্রোপেন এবং গ্যাসোলিন), কয়লা এবং বায়োমাস।
• জারক: যে পদার্থ দহন প্রক্রিয়াকে সমর্থন করে। অক্সিজেন (O2) সবচেয়ে সাধারণ জারক, যা সাধারণত বাতাস থেকে সংগ্রহ করা হয়।
• প্রজ্বলন উৎস: শক্তির একটি উৎস যা দহন বিক্রিয়া শুরু করে। এটি একটি স্পার্ক, শিখা বা গরম পৃষ্ঠ হতে পারে।

দহনের রসায়ন

দহন হলো রাসায়নিক বন্ধন ভাঙা এবং গঠনের সাথে জড়িত একটি জটিল রাসায়নিক বিক্রিয়ার সিরিজ। পুরো প্রক্রিয়াটিকে একটি সরলীকৃত রাসায়নিক সমীকরণ দ্বারা সংক্ষিপ্ত করা যেতে পারে, কিন্তু বাস্তবে, এতে অনেক মধ্যবর্তী ধাপ এবং প্রজাতি জড়িত থাকে।

উদাহরণ: মিথেনের দহন (CH4)

মিথেনের (প্রাকৃতিক গ্যাসের একটি প্রধান উপাদান) সম্পূর্ণ দহনকে এভাবে উপস্থাপন করা যেতে পারে:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + তাপ

এই সমীকরণটি দেখায় যে মিথেন অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে কার্বন ডাই অক্সাইড, জল এবং তাপ উৎপন্ন করে। তবে, প্রকৃত বিক্রিয়া পদ্ধতিতে অসংখ্য ধাপ এবং বিভিন্ন মুক্ত মূলক (free radicals) এবং মধ্যবর্তী প্রজাতির গঠন জড়িত।

মুক্ত মূলক (Free Radicals): এগুলি হলো অ-জোড় ইলেকট্রন সহ পরমাণু বা অণু, যা তাদের অত্যন্ত প্রতিক্রিয়াশীল করে তোলে। তারা শৃঙ্খল বিক্রিয়ায় একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে যা দহন প্রক্রিয়াকে প্রসারিত করে।

বিক্রিয়ার গতিবিদ্যা (Reaction Kinetics): এই বিক্রিয়াগুলির হার তাপমাত্রা, চাপ এবং অনুঘটক বা ইনহিবিটরের উপস্থিতি দ্বারা প্রভাবিত হয়। বিক্রিয়ার গতিবিদ্যা বোঝা দহন প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণ এবং অপ্টিমাইজ করার জন্য অপরিহার্য।

দহনের পদার্থবিজ্ঞান: তাপগতিবিদ্যা এবং প্রবাহী গতিবিদ্যা

দহন শুধুমাত্র একটি রাসায়নিক প্রক্রিয়া নয়; এটি পদার্থবিজ্ঞানের നിയമ, বিশেষ করে তাপগতিবিদ্যা এবং প্রবাহী গতিবিদ্যা দ্বারাও নিয়ন্ত্রিত হয়।

দহনের তাপগতিবিদ্যা

এনথালপি (H): একটি সিস্টেমের তাপের পরিমাণ। দহন বিক্রিয়াগুলি তাপমোচী, যার অর্থ তারা তাপ নির্গত করে এবং এনথালপিতে একটি ঋণাত্মক পরিবর্তন ঘটায় (ΔH < 0)।

এনট্রপি (S): একটি সিস্টেমে বিশৃঙ্খলার পরিমাপ। দহন সাধারণত এনট্রপি বাড়ায় কারণ বিক্রিয়কগুলি আরও বিশৃঙ্খল উৎপাদে রূপান্তরিত হয়।

গিবস মুক্ত শক্তি (G): একটি তাপগতীয় বিভব যা একটি বিক্রিয়ার স্বতঃস্ফূর্ততা নির্ধারণ করে। একটি দহন বিক্রিয়া স্বতঃস্ফূর্তভাবে ঘটার জন্য, গিবস মুক্ত শক্তির পরিবর্তন (ΔG) অবশ্যই ঋণাত্মক হতে হবে।

অ্যাডিয়াব্যাটিক শিখা তাপমাত্রা: একটি দহন প্রক্রিয়ায় অর্জিত তাত্ত্বিক সর্বোচ্চ তাপমাত্রা যদি পারিপার্শ্বিকে কোনো তাপ নষ্ট না হয়। দহন সিস্টেম ডিজাইন করার জন্য এটি একটি গুরুত্বপূর্ণ প্যারামিটার।

দহনের প্রবাহী গতিবিদ্যা

প্রবাহী প্রবাহ: দহনে জড়িত গ্যাস এবং তরলের চলাচল। এর মধ্যে জ্বালানি এবং জারকের দহন অঞ্চলে প্রবাহ এবং নিষ্কাশন গ্যাসের অপসারণ অন্তর্ভুক্ত।

মিশ্রণ: দহনের আগে জ্বালানি এবং জারক কতটা মিশ্রিত হয় তার মাত্রা। ভালো মিশ্রণ সম্পূর্ণ দহনকে উৎসাহিত করে এবং দূষক গঠন কমায়।

টার্বুলেন্স (Turbulence): অনিয়মিত প্রবাহী গতি যা মিশ্রণ এবং শিখার বিস্তার বাড়ায়। টার্বুলেন্ট দহন অনেক বাস্তব প্রয়োগে সাধারণ, যেমন অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন।

শিখার বিস্তার: যে গতিতে একটি শিখা দাহ্য মিশ্রণের মধ্য দিয়ে ছড়িয়ে পড়ে। এটি তাপমাত্রা, চাপ এবং মিশ্রণের রচনার মতো কারণ দ্বারা প্রভাবিত হয়।

দহনের প্রকারভেদ

দহন বিভিন্ন মোডে ঘটতে পারে, প্রতিটির নিজস্ব বৈশিষ্ট্য এবং প্রয়োগ রয়েছে।

• প্রিমিক্সড দহন: জ্বালানি এবং জারক প্রজ্বলনের আগে মিশ্রিত করা হয়। এই ধরনের দহন গ্যাস টারবাইন এবং কিছু ধরণের চুল্লিতে ব্যবহৃত হয়।
• নন-প্রিমিক্সড দহন (ডিফিউশন শিখা): জ্বালানি এবং জারক আলাদাভাবে প্রবেশ করানো হয় এবং পোড়ার সময় মিশ্রিত হয়। এটি মোমবাতির শিখা, ডিজেল ইঞ্জিন এবং শিল্প বার্নারে সাধারণ।
• হোমোজিনিয়াস চার্জ কমপ্রেশন ইগনিশন (HCCI): একটি দহন মোড যেখানে একটি প্রিমিক্সড জ্বালানি-বায়ু মিশ্রণকে স্বতঃ-প্রজ্বলনের পর্যায়ে সংকুচিত করা হয়। এটি উচ্চ দক্ষতা এবং কম নির্গমনের কারণ হতে পারে, তবে নিয়ন্ত্রণ করা কঠিন।
• ডিটোনেশন: একটি সুপারসনিক দহন তরঙ্গ যা একটি দাহ্য মিশ্রণের মধ্য দিয়ে প্রসারিত হয়। এটি একটি ধ্বংসাত্মক প্রক্রিয়া এবং বিস্ফোরকে ব্যবহৃত হয়।

দহনের প্রয়োগ

দহন একটি সর্বব্যাপী প্রক্রিয়া যার অসংখ্য ক্ষেত্রে প্রয়োগ রয়েছে:

• বিদ্যুৎ উৎপাদন: জীবাশ্ম জ্বালানি বিদ্যুৎ কেন্দ্রগুলি বাষ্প তৈরি করতে দহন ব্যবহার করে, যা টারবাইন চালিয়ে বিদ্যুৎ উৎপাদন করে।
• পরিবহন: গাড়ি, ট্রাক এবং বিমানের অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনগুলি জ্বালানিকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত করতে দহনের উপর নির্ভর করে।
• হিটিং: চুল্লি এবং বয়লার বাড়ি, ভবন এবং শিল্প প্রক্রিয়া গরম করতে দহন ব্যবহার করে।
• ম্যানুফ্যাকচারিং: দহন বিভিন্ন উৎপাদন প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত হয়, যেমন ধাতু গলানো, সিমেন্ট উৎপাদন এবং বর্জ্য পোড়ানো।
• রকেট প্রপালশন: রকেট ইঞ্জিনগুলি থ্রাস্ট তৈরি করতে কঠিন বা তরল প্রপেলান্টের দহন ব্যবহার করে।

চ্যালেঞ্জ এবং পরিবেশগত প্রভাব

যদিও দহন অনেক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য অপরিহার্য, এটি উল্লেখযোগ্য পরিবেশগত চ্যালেঞ্জও তৈরি করে।

দূষক নির্গমন: দহন নিম্নলিখিত দূষক তৈরি করতে পারে:

• কার্বন ডাই অক্সাইড (CO2): একটি গ্রিনহাউস গ্যাস যা জলবায়ু পরিবর্তনে অবদান রাখে।
• নাইট্রোজেন অক্সাইড (NOx): ধোঁয়াশা এবং অ্যাসিড বৃষ্টিতে অবদান রাখে।
• কণা পদার্থ (PM): ছোট কণা যা শ্বাসযন্ত্রের সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে।
• কার্বন মনোক্সাইড (CO): একটি বিষাক্ত গ্যাস যা উচ্চ ঘনত্বে মারাত্মক হতে পারে।
• অদগ্ধ হাইড্রোকার্বন (UHC): ধোঁয়াশা গঠনে অবদান রাখে।

অদক্ষ দহন: অসম্পূর্ণ দহন শক্তির দক্ষতা হ্রাস এবং দূষক নির্গমন বৃদ্ধির কারণ হতে পারে।

পরিষ্কার এবং দক্ষ দহনের জন্য কৌশল

দহনের পরিবেশগত প্রভাব প্রশমিত করার জন্য, বিভিন্ন কৌশল তৈরি এবং প্রয়োগ করা হচ্ছে:

• উন্নত দহন প্রযুক্তি: আরও দক্ষ এবং পরিষ্কার দহন ব্যবস্থা তৈরি করা, যেমন উন্নত গ্যাস টারবাইন এবং লিন-বার্ন ইঞ্জিন।
• বিকল্প জ্বালানি: কম কার্বনযুক্ত বিকল্প জ্বালানি ব্যবহার করা, যেমন বায়োফুয়েল, হাইড্রোজেন এবং অ্যামোনিয়া।
• কার্বন ক্যাপচার এবং স্টোরেজ (CCS): দহন প্রক্রিয়া থেকে CO2 নির্গমন ক্যাপচার করা এবং সেগুলিকে ভূগর্ভে সংরক্ষণ করা বা অন্য উদ্দেশ্যে ব্যবহার করা।
• নিষ্কাশন গ্যাস পরিশোধন: নিষ্কাশন গ্যাস থেকে দূষক অপসারণের জন্য ক্যাটালিটিক কনভার্টার এবং স্ক্রাবারের মতো প্রযুক্তি ব্যবহার করা।
• দহন অপ্টিমাইজেশন: দহনের অবস্থা অপ্টিমাইজ করতে এবং দূষক গঠন কমাতে নিয়ন্ত্রণ কৌশল প্রয়োগ করা।

বৈশ্বিক উদ্যোগের উদাহরণ

বেশ কয়েকটি দেশ এবং সংস্থা পরিষ্কার এবং দক্ষ দহন প্রযুক্তি প্রচারের জন্য সক্রিয়ভাবে কাজ করছে:

• ইউরোপীয় ইউনিয়ন: ইইউ-এর গ্রিন ডিল-এর লক্ষ্য হলো ২০৩০ সালের মধ্যে গ্রিনহাউস গ্যাস নির্গমন কমপক্ষে ৫৫% হ্রাস করা, যা আংশিকভাবে পরিষ্কার দহন প্রযুক্তি এবং বিকল্প জ্বালানি গ্রহণের মাধ্যমে করা হবে।
• মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র: মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের শক্তি বিভাগ উন্নত দহন প্রযুক্তি এবং কার্বন ক্যাপচার প্রযুক্তির গবেষণা ও উন্নয়নে অর্থায়ন করছে।
• চীন: চীন নবায়নযোগ্য শক্তিতে প্রচুর বিনিয়োগ করছে এবং তার কয়লাভিত্তিক বিদ্যুৎ কেন্দ্রগুলির দক্ষতা উন্নত করার জন্যও কাজ করছে।
• আন্তর্জাতিক শক্তি সংস্থা (IEA): IEA বিশ্বব্যাপী শক্তি দক্ষতা এবং টেকসই শক্তি প্রযুক্তি প্রচার করে।

দহন বিজ্ঞানের ভবিষ্যতের প্রবণতা

দহন বিজ্ঞান একটি গতিশীল ক্ষেত্র যেখানে শক্তি উৎপাদন এবং পরিবেশ সুরক্ষার চ্যালেঞ্জ মোকাবেলার লক্ষ্যে চলমান গবেষণা ও উন্নয়ন চলছে।

উন্নত দহন ধারণা: নতুন দহন মোড, যেমন HCCI এবং নিম্ন-তাপমাত্রার দহন, অন্বেষণ করে উচ্চতর দক্ষতা এবং কম নির্গমন অর্জন করা।

কম্পিউটেশনাল দহন: দহন প্রক্রিয়া মডেলিং এবং অপ্টিমাইজ করতে কম্পিউটার সিমুলেশন ব্যবহার করা। এটি গবেষকদের জটিল ঘটনা অধ্যয়ন করতে এবং আরও ভালো দহন সিস্টেম ডিজাইন করতে দেয়।

ডায়াগনস্টিকস এবং নিয়ন্ত্রণ: রিয়েল-টাইমে দহন পর্যবেক্ষণ এবং অপ্টিমাইজ করার জন্য উন্নত সেন্সর এবং নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থা তৈরি করা।

মাইক্রোকম্বাশন: পোর্টেবল পাওয়ার জেনারেশন এবং মাইক্রো-প্রপালশনের মতো অ্যাপ্লিকেশনের জন্য দহন সিস্টেমকে ছোট করা।

টেকসই জ্বালানি: জীবাশ্ম জ্বালানির উপর নির্ভরতা কমাতে বায়োফুয়েল, হাইড্রোজেন এবং অ্যামোনিয়ার মতো টেকসই জ্বালানি নিয়ে গবেষণা ও উন্নয়ন করা।

ভবিষ্যত গবেষণার নির্দিষ্ট উদাহরণ

• হাইড্রোজেন দহন: হাইড্রোজেনের দক্ষ এবং নিরাপদ দহনের জন্য প্রযুক্তি তৈরি করা, যা উপজাত হিসাবে শুধুমাত্র জল তৈরি করে। তবে, NOx গঠন একটি চ্যালেঞ্জ হতে পারে যার জন্য শিখার তাপমাত্রা এবং রেসিডেন্স টাইমের সতর্ক ব্যবস্থাপনা প্রয়োজন।
• অ্যামোনিয়া দহন: জ্বালানি হিসাবে অ্যামোনিয়া ব্যবহারের অন্বেষণ করা, যা নবায়নযোগ্য উৎস থেকে উৎপাদন করা যেতে পারে। অ্যামোনিয়া দহন NOx তৈরি করতে পারে, তবে এই সমস্যাটি প্রশমিত করার জন্য উদ্ভাবনী দহন কৌশল তৈরি করা হচ্ছে।
• বায়োফুয়েল দহন: নির্গমন কমাতে এবং দক্ষতা উন্নত করতে বায়োফুয়েলের দহনকে অপ্টিমাইজ করা। বায়োফুয়েলের দহন বৈশিষ্ট্য জীবাশ্ম জ্বালানির চেয়ে ভিন্ন হতে পারে, যার জন্য ইঞ্জিন ডিজাইন এবং অপারেটিং প্যারামিটারে সমন্বয় প্রয়োজন।

উপসংহার

দহন একটি মৌলিক বৈজ্ঞানিক প্রক্রিয়া যার শক্তি উৎপাদন, পরিবহন এবং পরিবেশগত স্থায়িত্বের জন্য সুদূরপ্রসারী প্রভাব রয়েছে। দহনের রসায়ন, পদার্থবিজ্ঞান এবং প্রকৌশলগত দিকগুলি বোঝার মাধ্যমে, আমরা পরিবেশগত প্রভাব最小 রেখে বিশ্বের ক্রমবর্ধমান শক্তির চাহিদা মেটাতে পরিষ্কার এবং আরও দক্ষ প্রযুক্তি বিকাশ করতে পারি। উন্নত দহন ধারণা, বিকল্প জ্বালানি এবং নির্গমন নিয়ন্ত্রণ প্রযুক্তিতে চলমান গবেষণা ও উন্নয়ন একটি টেকসই শক্তির ভবিষ্যতের দিকে আশাব্যঞ্জক পথ দেখায়। সকলের জন্য একটি পরিষ্কার এবং আরও টেকসই বিশ্ব তৈরি করতে দহন বিজ্ঞানের সম্ভাবনাকে কাজে লাগাতে এবং চ্যালেঞ্জ মোকাবেলা করতে বিজ্ঞানী, প্রকৌশলী এবং নীতিনির্ধারকদের বিশ্বব্যাপী সহযোগিতা অপরিহার্য।

আরও পড়ার জন্য

• Principles of Combustion by Kenneth K. Kuo
• Combustion by Irvin Glassman and Richard A. Yetter
• An Introduction to Combustion: Concepts and Applications by Stephen R. Turns

পরিভাষার শব্দকোষ

• জারণ (Oxidation): ইলেকট্রন হারানোর একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া, প্রায়শই অক্সিজেনের সাথে।
• বিজারণ (Reduction): ইলেকট্রন লাভের একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া।
• তাপমোচী (Exothermic): একটি প্রক্রিয়া যা তাপ নির্গত করে।
• তাপশোষী (Endothermic): একটি প্রক্রিয়া যা তাপ শোষণ করে।
• স্টোইকিওমেট্রিক (Stoichiometric): সম্পূর্ণ দহনের জন্য জ্বালানি এবং জারকের আদর্শ অনুপাত।
• লিন মিশ্রণ (Lean Mixture): অতিরিক্ত জারক সহ একটি মিশ্রণ।
• রিচ মিশ্রণ (Rich Mixture): অতিরিক্ত জ্বালানি সহ একটি মিশ্রণ।
• প্রজ্বলন বিলম্ব (Ignition Delay): প্রজ্বলন শুরু এবং টেকসই দহন শুরুর মধ্যবর্তী সময়।
• শিখার গতি (Flame Speed): যে হারে একটি শিখা দাহ্য মিশ্রণের মধ্য দিয়ে প্রসারিত হয়।
• নির্বাপণ (Quenching): তাপ অপসারণ করে একটি শিখা নিভিয়ে ফেলার প্রক্রিয়া।