Com és intercanviable el treball mecànic i el calor
En aquest article, explorarem el concepte de l'equivalent mecànic del calor, que estableix que el treball mecànic i el calor es poden convertir l'un en l'altre. També aprendrem sobre els experiments i descobriments que van portar a aquesta idea i com va ajudar a establir la ciència de la termodinàmica.
Què és l'equivalent mecànic del calor?
L'equivalent mecànic del calor és un terme que descriu la relació entre el treball mecànic i el calor.
Es defineix com la quantitat de treball necessària per produir una unitat de calor en un sistema. El símbol de l'equivalent mecànic del calor és J, i també se l'anomena constant de Joule o equivalent mecànic del calor de Joule, en honor al científic que va mesurar-lo per primer cop.
La fórmula de l'equivalent mecànic del calor és:
on W és el treball realitzat en un sistema, i Q és el calor generat en el sistema.
La unitat de l'equivalent mecànic del calor és joule per càlci (J/cal), el que significa que un joule de treball produeix un càlci de calor. Un càlci és la quantitat de calor necessària per augmentar la temperatura d'un gram de l'aigua en un grau Celsius.
Com es va descobrir l'equivalent mecànic del calor?
La idea que el treball mecànic i el calor són intercanviables va ser suggerida per primera vegada per Benjamin Thompson, també conegut com a Comte Rumford, el 1798. Va observar que es generava una gran quantitat de calor per fricció quan es perforaven canons en un arsenal de Munic. Va concloure que el calor no era una substància, com es creia anteriorment, sinó una forma de moviment.
No obstant això, Rumford no va proporcionar un valor numèric per a l'equivalent mecànic del calor, ni va realitzar un experiment controlat per mesurar-lo. Les seves observacions van ser contestades pels partidaris de la teoria calòrica, que afirmaven que el calor era un fluid que fluïa des de cossos calents cap a cossos fredes.
La primera persona que va realitzar un experiment precís per determinar l'equivalent mecànic del calor va ser James Prescott Joule, un físic anglès i cervecer. El 1845, va publicar un article titulat "L'equivalent mecànic del calor", en el qual va descriure el seu aparell i mètode.
Joule va utilitzar un calorímetre de cobre ple d'aigua i un mecanisme de paleta connectat a pesos que caien.
Quan els pesos caían, feien girar la paleta, que remenava l'aigua dins del calorímetre. L'energia cinètica dels pesos i la paleta es convertia en energia tèrmica a l'aigua. Joule va mesurar l'augment de temperatura de l'aigua i va calcular la quantitat de treball realitzat pels pesos. Va repetir aquest experiment diverses vegades amb diferents pesos i alçades i va trobar un valor consistent per a J: 778.24 peus-libra força per grau Fahrenheit (4.1550 J/cal).
L'experiment de Joule va demostrar que el treball i el calor eren equivalents i conservats,
és a dir, que no es podien crear ni destruir, només transformar d'una forma a una altra. Aquest va ser un gran avanç en el desenvolupament de la termodinàmica, que és l'estudi de l'energia i les seves transformacions.
Quines són algunes aplicacions de l'equivalent mecànic del calor?
El concepte de l'equivalent mecànic del calor té moltes aplicacions en la ciència i l'enginyeria. Per exemple:
Explica com funcionen els motors convertint l'energia química del combustible en energia mecànica en moviment.
Ens ajuda a calcular l'eficiència de màquines i processos comparant el treball d'entrada i el calor de sortida.
Ens permet dissenyar dispositius que puguin convertir el calor residu en treball útil, com els generadors termoelèctrics.
Ens permet entendre com els organismes vius utilitzen l'energia metabòlica per realitzar diverses funcions.
L'equivalent mecànic del calor també està relacionat amb altres conceptes importants en termodinàmica, com l'entropia, la capacitat calorífica específica, el calor latent i l'expansió tèrmica.
Conclusió
En aquest article, hem après sobre l'equivalent mecànic del calor,
que és la quantitat de treball necessària per produir una unitat de calor en un sistema. També hem vist com aquest concepte va ser descobert per Rumford i Joule a través d'experiments sobre la fricció i la remena de l'aigua. Finalment, hem discutit algunes aplicacions i implicacions d'aquest concepte en la ciència i l'enginyeria.
Declaració: Respecteu l'original, els bons articles meriten ser compartits, si hi ha alguna infracció contacteu per eliminar-la.
