Πώς η Μηχανική Εργασία και το Θερμό είναι Αλληλουχία
Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε την έννοια του μηχανικού εξίσου της θερμότητας, η οποία δηλώνει ότι η μηχανική εργασία και η θερμότητα μπορούν να μετατρέπονται μεταξύ τους. Θα μάθουμε επίσης για τα πειράματα και τις ανακαλύψεις που οδήγησαν σε αυτή την ιδέα και πώς βοήθησε στην ίδρυση της επιστήμης της θερμοδυναμικής.
Τι είναι το μηχανικό εξίσου της θερμότητας?
Το μηχανικό εξίσου της θερμότητας είναι ένας όρος που περιγράφει τη σχέση μεταξύ μηχανικής εργασίας και θερμότητας.
Ορίζεται ως η ποσότητα εργασίας που απαιτείται για να παραχθεί μια μονάδα ποσότητας θερμότητας σε ένα σύστημα. Το σύμβολο για το μηχανικό εξίσου της θερμότητας είναι J, και είναι επίσης γνωστό ως σταθερά του Joule ή μηχανικό εξίσου θερμότητας του Joule, μετά τον επιστήμονα που το μέτρησε πρώτος.
Η τύπος για το μηχανικό εξίσου της θερμότητας είναι:
όπου W είναι η εργασία που εκτελείται σε ένα σύστημα, και Q είναι η θερμότητα που παράγεται στο σύστημα.
Η μονάδα για το μηχανικό εξίσου της θερμότητας είναι το joule ανά calorie (J/cal), που σημαίνει ότι ένα joule εργασίας παράγει μια calorie θερμότητας. Μια calorie είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου νερού κατά ένα βαθμό Celsius.
Πώς ανακαλύφθηκε το μηχανικό εξίσου της θερμότητας;
Η ιδέα ότι η μηχανική εργασία και η θερμότητα είναι ανταλλάξιμες προτάθηκε πρώτη από τον Benjamin Thompson, επίσης γνωστό ως Count Rumford, το 1798. Παρατήρησε ότι μεγάλη ποσότητα θερμότητας παραγόταν από την τριβή κατά την εξοπλισμό των κανόνων σε ένα αρσεναλ στη Μονάχη. Συμπέρανε ότι η θερμότητα δεν ήταν ουσία, όπως προηγουμένως θεωρείτο, αλλά μια μορφή κίνησης.
Ωστόσο, ο Rumford δεν παρέσχε μια αριθμητική τιμή για το μηχανικό εξίσου της θερμότητας, ούτε έκανε έναν ελεγχόμενο πείραμα για να το μετρήσει. Οι παρατηρήσεις του προσεχτικά αμφισβητήθηκαν από τους υποστηρικτές της θεωρίας της καλορικής, η οποία θεωρούσε ότι η θερμότητα ήταν ένα ρεύμα που ρέει από ζεστά σε κρύα σώματα.
Ο πρώτος που έκανε ένα ακριβές πείραμα για να καθορίσει το μηχανικό εξίσου της θερμότητας ήταν ο James Prescott Joule, ένας αγγλικός φυσικός και μπρεβερός. Το 1845, δημοσίευσε ένα έργο με τίτλο "Το μηχανικό εξίσου της θερμότητας", στο οποίο περιέγραψε τον εξοπλισμό και τη μέθοδο του.
Ο Joule χρησιμοποίησε έναν καλοριμέτρο από χάλυβα γεμάτο νερό και ένα μηχανήμα με πετάλα που είχε συνδεθεί με πέσοντα βάρη.
Καθώς τα βάρη πέφταναν, γυρίζανε την πετάλα, η οποία ανακατεύθυνε το νερό μέσα στον καλοριμέτρο. Η κινητική ενέργεια των βαρών και της πετάλας μετατράπηκε σε θερμική ενέργεια στο νερό. Ο Joule μέτρησε την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού και υπολόγισε την ποσότητα εργασίας που εκτελέστηκε από τα βάρη. Επανήλθε σε αυτό το πείραμα αρκετές φορές με διαφορετικά βάρη και ύψη και βρήκε μια συνεχή τιμή για J: 778.24 ποδο-λίβρα δύναμης ανά βαθμό Fahrenheit (4.1550 J/cal).
Το πείραμα του Joule απέδειξε ότι η εργασία και η θερμότητα ήταν ισοδύναμες και συντηρούμενες,
δηλαδή ότι δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν, αλλά μόνο να μετατραπούν από μια μορφή σε άλλη. Αυτή ήταν μια μεγάλη πρόοδος στην ανάπτυξη της θερμοδυναμικής, η οποία είναι η μελέτη της ενέργειας και των μετατροπών της.
Ποιες είναι μερικές εφαρμογές του μηχανικού εξίσου της θερμότητας;
Η έννοια του μηχανικού εξίσου της θερμότητας έχει πολλές εφαρμογές στην επιστήμη και την μηχανική. Για παράδειγμα:
Εξηγεί πώς λειτουργούν οι κινητήρες, μετατρέποντας τη χημική ενέργεια των καυσίμων σε μηχανική ενέργεια σε κίνηση.
Μας βοηθά να υπολογίσουμε την αποτελεσματικότητα των μηχανών και των διαδικασιών, συγκρίνοντας την εισόδου εργασία και την εξόδου θερμότητα.
Μας επιτρέπει να σχεδιάσουμε συσκευές που μπορούν να μετατρέπουν την απορριπτή θερμότητα σε χρήσιμη εργασία, όπως οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες.
Μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πώς τα ζωντανά οργανισμοί χρησιμοποιούν τη μεταβολική ενέργεια για να εκτελέσουν διάφορες λειτουργίες.
