Как механичната работа и топлината са разменяеми

В тази статия ще разгледаме концепцията за механичния еквивалент на топлината, която твърди, че механичната работа и топлината могат да се преобразуват една в друга. Ще научим и за експериментите и откритията, които доведоха до тази идея, както и как тя помогна за установяването на науката термодинамика.

Какво е механичният еквивалент на топлината?

Механичният еквивалент на топлината е термин, който описва връзката между механичната работа и топлината.

Той е дефиниран като количеството работа, необходимо за произвеждане на единично количество топлина в системата. Символът за механичния еквивалент на топлината е J, и той е известен също като константа на Джоул или механичен еквивалент на топлината на Джоул, след учените, които първи го измериха.

Формулата за механичния еквивалент на топлината е:

където W е работата, извършена върху системата, а Q е генерираната топлина в системата.

Единицата за механичния еквивалент на топлината е джаул на калория (J/cal), което означава, че един джаул работа произвежда една калория топлина. Една калория е количеството топлина, необходимо за повишаване температурата на един грам вода с един градус Целзий.

Как беше открит механичният еквивалент на топлината?

Идеята, че механичната работа и топлината са взаимно заменяеми, беше предложена за пръв път от Бенджамин Томпсън, известен също като граф Румфорд, през 1798 година. Той наблюдаваше, че при бурене на топовни цевки в арсенала в Мюнхен се генерираше голямо количество топлина от триенето. Той заключи, че топлината не е веществото, както се мислеше по-рано, а форма на движение.

Обаче Румфорд не предостави числено значение за механичния еквивалент на топлината, нито проведе контролиран експеримент за измерване. Неговите наблюдения бяха подложени на критика от защитниците на теорията за калорика, която твърди, че топлината е флуид, който тече от горещи към студени тела.

Първият, който провежда точен експеримент за определяне на механичния еквивалент на топлината, беше Джеймс Прескотт Джоул, английски физик и пивовар. През 1845 г. той публикува статия с заглавие „Механичният еквивалент на топлината“, в която описва своето устройство и метод.

Джоул използва меден калориметър, пълен с вода, и механизм с лопатки, свързан с падащи тегла.

Когато теглата падаха, те завъртаха лопатките, които разбъркваха водата в калориметъра. Кинетичната енергия на теглата и лопатките се преобразуваше в топлоенергия във водата. Джоул измери повишаването на температурата на водата и изчисли количеството извършена работа от теглата. Той повтори този експеримент няколко пъти с различни тегла и височини и намери постоянна стойност за J: 778.24 фут-фунт-сила на градус Фаренхайт (4.1550 J/cal).

Експериментът на Джоул доказа, че работата и топлината са еквивалентни и запазват,

което означава, че те не могат да бъдат създадени или унищожени, но само преобразувани от една форма в друга. Това беше важен прорив в развитието на термодинамиката, която е изучаването на енергията и нейните преобразования.

Какви са някои приложения на механичния еквивалент на топлината?

Концепцията за механичния еквивалент на топлината има много приложения в науката и инженерното дело. Например:

• Тя обяснява как двигателите работят, като преобразуват химичната енергия в горивото в механична енергия в движение.

• Тя ни помага да изчислим ефективността на машините и процесите, като сравняваме входящата работа и изходящата топлина.

• Тя ни позволява да проектираме устройства, които могат да преобразуват отпадъчна топлина в полезна работа, такива като термоелектрични генератори.

• Тя ни позволява да разберем как живите организми използват метаболична енергия за извършване на различни функции.

Механичният еквивалент на топлината е свързан и с други важни концепции в термодинамиката, такива като ентропия, специфична топлоемкост, скрита топлина и термично разширение.

Заключение

В тази статия научихме за механичния еквивалент на топлината,

който е количеството работа, необходимо за произвеждане на единично количество топлина в системата. Разгледахме и как тази концепция беше открита от Румфорд и Джоул чрез експерименти с триене и разбъркване на вода. Накрая, обсъдихме някои приложения и последствия на тази концепция в науката и инженерното дело.

Изявление: Почитайте оригинала, добри статии са стойни за споделяне, ако има нарушение на права, моля, се обратете за изтриване.