Wie mechanische Arbeit und Wärme wechselbar sind
In diesem Artikel werden wir das Konzept des mechanischen Äquivalents der Wärme untersuchen, das besagt, dass mechanische Arbeit und Wärme ineinander umgewandelt werden können. Wir werden auch über die Experimente und Entdeckungen lernen, die zu dieser Idee führten, und wie sie dazu beitrugen, die Wissenschaft der Thermodynamik zu etablieren.
Was ist das mechanische Äquivalent der Wärme?
Das mechanische Äquivalent der Wärme ist ein Begriff, der die Beziehung zwischen mechanischer Arbeit und Wärme beschreibt.
Es wird definiert als die Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um eine Einheit von Wärme in einem System zu erzeugen. Das Symbol für das mechanische Äquivalent der Wärme ist J, und es wird auch als Joulesche Konstante oder Joulesches mechanisches Äquivalent der Wärme nach dem Wissenschaftler benannt, der es erstmals vermessen hat.
Die Formel für das mechanische Äquivalent der Wärme lautet:
wobei W die Arbeit ist, die auf ein System ausgeübt wird, und Q die im System erzeugte Wärme.
Die Einheit für das mechanische Äquivalent der Wärme ist Joule pro Kalorie (J/cal), was bedeutet, dass eine Joule Arbeit eine Kalorie Wärme erzeugt. Eine Kalorie ist die Menge an Wärme, die benötigt wird, um die Temperatur eines Gramms Wasser um einen Grad Celsius zu erhöhen.
Wie wurde das mechanische Äquivalent der Wärme entdeckt?
Die Idee, dass mechanische Arbeit und Wärme austauschbar sind, wurde erstmals 1798 von Benjamin Thompson, auch bekannt als Graf Rumford, vorgeschlagen. Er beobachtete, dass durch Reibung beim Bohren von Kanonenläufen in einer Rüstung in München eine große Menge an Wärme erzeugt wurde. Er schloss daraus, dass Wärme keine Substanz, wie bisher angenommen, sondern eine Form von Bewegung war.
Rumford gab jedoch keinen numerischen Wert für das mechanische Äquivalent der Wärme, noch führte er ein kontrolliertes Experiment durch, um es zu messen. Seine Beobachtungen wurden von den Anhängern der kalorischen Theorie angefochten, die davon ausgingen, dass Wärme ein Fluid sei, das von heißen zu kalten Körpern fließt.
Der erste, der ein präzises Experiment durchführte, um das mechanische Äquivalent der Wärme zu bestimmen, war James Prescott Joule, ein englischer Physiker und Brauer. Im Jahr 1845 veröffentlichte er eine Abhandlung mit dem Titel „Das mechanische Äquivalent der Wärme“, in der er seine Apparatur und Methode beschrieb.
Joule verwendete einen kupfernen Kalorimeter gefüllt mit Wasser und ein Paddelrad-Mechanismus, der an fallende Gewichte angebracht war.
Als die Gewichte fielen, drehten sie das Paddelrad, das das Wasser im Kalorimeter umrührte. Die kinetische Energie der Gewichte und des Paddelrades wurde in Wärmeenergie im Wasser umgewandelt. Joule maß die Temperaturerhöhung des Wassers und berechnete die verrichtete Arbeit der Gewichte. Er wiederholte dieses Experiment mehrere Male mit verschiedenen Gewichten und Höhen und fand einen konsistenten Wert für J: 778,24 Fuß-Pfund-Kraft pro Grad Fahrenheit (4,1550 J/cal).
Joules Experiment bewies, dass Arbeit und Wärme äquivalent und erhalten sind,
was bedeutet, dass sie nicht erschaffen oder zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere transformiert werden können. Dies war ein wichtiger Durchbruch in der Entwicklung der Thermodynamik, die sich mit Energie und ihren Transformationen befasst.
Welche Anwendungen hat das mechanische Äquivalent der Wärme?
Das Konzept des mechanischen Äquivalents der Wärme hat viele Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Zum Beispiel:
Es erklärt, wie Motoren funktionieren, indem chemische Energie in Treibstoff in mechanische Energie in Bewegung umgewandelt wird.
Es hilft uns, die Effizienz von Maschinen und Prozessen zu berechnen, indem wir die eingesetzte Arbeit und die abgegebene Wärme vergleichen.
Es ermöglicht uns, Geräte zu entwickeln, die Abwärme in nützliche Arbeit umwandeln, wie z.B. thermoelektrische Generatoren.
Es ermöglicht uns, zu verstehen, wie lebende Organismen metabolische Energie verwenden, um verschiedene Funktionen auszuführen.
Das mechanische Äquivalent der Wärme steht auch in Beziehung zu anderen wichtigen Konzepten in der Thermodynamik, wie Entropie, spezifische Wärmekapazität, latente Wärme und thermische Ausdehnung.
Zusammenfassung
In diesem Artikel haben wir das mechanische Äquivalent der Wärme kennengelernt,
das die Menge an Arbeit ist, die erforderlich ist, um eine Einheit von Wärme in einem System zu erzeugen. Wir haben auch gesehen, wie dieses Konzept von Rumford und Joule durch Experimente zur Reibung und zum Umrühren von Wasser entdeckt wurde. Schließlich haben wir einige Anwendungen und Implikationen dieses Konzepts in Wissenschaft und Technik diskutiert.
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