كيف يمكن التحويل بين العمل الميكانيكي والحرارة

في هذا المقال، سنستكشف مفهوم المكافئ الميكانيكي للحرارة، الذي يشير إلى أن العمل الميكانيكي والحرارة يمكن تحويلهما إلى بعضهما البعض. كما سنتعلم عن التجارب والاكتشافات التي أدت إلى هذا الفكرة وكيف ساعدت في تأسيس علم الديناميكا الحرارية.

ما هو المكافئ الميكانيكي للحرارة؟

المكافئ الميكانيكي للحرارة هو مصطلح يصف العلاقة بين العمل الميكانيكي والحرارة.

يُعرَّف بأنه الكمية من العمل اللازمة لإنتاج كمية وحدة من الحرارة في نظام. الرمز للمكافئ الميكانيكي للحرارة هو J، ويُعرف أيضًا باسم ثابت جول أو المكافئ الميكانيكي للحرارة لجول بعد العالم الذي قاسه لأول مرة.

الصيغة للمكافئ الميكانيكي للحرارة هي:

حيث W هو العمل المنجز على النظام، وQ هي الحرارة المتولدة في النظام.

وحدة المكافئ الميكانيكي للحرارة هي الجول لكل كالوري (J/cal)، مما يعني أن جول واحد من العمل ينتج كالوري واحد من الحرارة. الكلوري الواحد هو الكمية من الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء بمقدار درجة واحدة مئوية.

كيف تم اكتشاف المكافئ الميكانيكي للحرارة؟

الفكرة القائلة بأن العمل الميكانيكي والحرارة يمكن التحويل بينهما اقترحها بنيامين تومبسون المعروف أيضًا باسم كاونت رمفورد عام 1798. لاحظ أنه تم إنتاج كمية كبيرة من الحرارة بواسطة الاحتكاك عند حفر برميل المدفع في مصنع ذخيرة في ميونيخ. خلص إلى أن الحرارة ليست مادة، كما كان يُعتقد سابقًا، ولكنها نوع من الحركة.

ومع ذلك، لم يوفر رمفورد قيمة عددية للمكافئ الميكانيكي للحرارة، ولم يقم بإجراء تجربة محكومة لقياسه. تم تحدي ملاحظاته من قبل مؤيدي نظرية الحرارة السائلة، والتي تقول إن الحرارة كانت سائلًا يتدفق من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة.

كان أول شخص أجرى تجربة دقيقة لتحديد المكافئ الميكانيكي للحرارة هو جيمس بريسكوت جول، وهو فيزيائي إنجليزي ومصنع جعة. في عام 1845، نشر ورقة بحثية بعنوان "المكافئ الميكانيكي للحرارة"، حيث وصف فيها جهازه وطريقة عمله.

استخدم جول مقياس حرارة مصنوع من النحاس مليء بالماء وخزان مع مكبس مرفق بأوزان تسقط.

عندما تسقط الأوزان، تقوم بتحريك المكبس، والذي يقوم بتحريك الماء داخل المقياس الحراري. يتم تحويل الطاقة الحركية للأوزان والمكبس إلى طاقة حرارية في الماء. قام جول بقياس ارتفاع درجة حرارة الماء وحساب كمية العمل المنجز بالأوزان. قام بتكرار هذه التجربة عدة مرات بأوزان مختلفة وأطوال مختلفة ووجد قيمة ثابتة لـ J: 778.24 قدم-باوند قوة لكل درجة فهرنهايت (4.1550 J/cal).

أثبت تجربة جول أن العمل والحرارة متكافئان ومعفيا من الضياع،

ويعني ذلك أنهما لا يمكن أن يتم خلقهما أو تدميرهما ولكن يمكن فقط تحويلهما من شكل إلى آخر. كان هذا اختراقًا كبيرًا في تطور الديناميكا الحرارية، وهي دراسة الطاقة وتحولاتها.

ما هي بعض التطبيقات للمكافئ الميكانيكي للحرارة؟

مفهوم المكافئ الميكانيكي للحرارة له العديد من التطبيقات في العلوم والهندسة. على سبيل المثال:

• يشرح كيفية عمل المحركات من خلال تحويل الطاقة الكيميائية في الوقود إلى طاقة ميكانيكية في الحركة.

• يساعدنا في حساب كفاءة الآلات والعمليات من خلال مقارنة العمل المدخل والحرارة الخارجة.

• يسمح لنا بتصميم أجهزة يمكنها تحويل الحرارة المهدرة إلى عمل مفيد، مثل مولدات الطاقة الحرارية الكهربية.

• يساعدنا في فهم كيفية استخدام الكائنات الحية للطاقة الأيضية لأداء وظائف مختلفة.

المكافئ الميكانيكي للحرارة مرتبط أيضًا بمفاهيم مهمة أخرى في الديناميكا الحرارية، مثل الإنتروبيا والسعة الحرارية النوعية والحرارة الخفية والتوسع الحراري.

خاتمة

في هذا المقال، تعلمنا عن المكافئ الميكانيكي للحرارة،

وهو الكمية من العمل اللازمة لإنتاج كمية وحدة من الحرارة في نظام. لقد رأينا أيضًا كيف تم اكتشاف هذا المفهوم بواسطة رمفورد وجول من خلال تجارب على الاحتكاك وتحريك الماء. وأخيرًا، ناقشنا بعض التطبيقات والآثار لهذا المفهوم في العلوم والهندسة.

بيان: احترام الأصل، المقالات الجيدة مستحقة للتبادل، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل للحذف.