Kiel mekanika laboro kaj varmo estas interŝanĝeblaj
En ĉi tiu artikolo ni esploros la koncepton de mekanika ekvivalento de varmo, kiu asertas ke mekanika laboro kaj varmo povas esti interŝanĝataj unu en la alian. Ni ankaŭ lernos pri la eksperimentoj kaj malkovroj, kiuj kondukis al ĉi tiu ideo, kaj kiel ĝi helpis fondi la sciencfakon de termodinamiko.
Kio estas Mekanika Ekvivalento de Varmo?
La mekanika ekvivalento de varmo estas termino, kiu priskribas la rilaton inter mekanika laboro kaj varmo.
Ĝi estas difinita kiel la kvanto de laboro bezonata por produkti unuunikan kvanton de varmo en sistemo. La simbolo por la mekanika ekvivalento de varmo estas J, kaj ĝi estas ankaŭ konata kiel konstanto de Joule aŭ mekanika ekvivalento de varmo de Joule, nomita post la sciencisto, kiu unuafoje mezuris ĝin.
La formulo por la mekanika ekvivalento de varmo estas:
kie W estas la laboro farita sur sistemon, kaj Q estas la varmo generita en la sistemo.
La unuo por la mekanika ekvivalento de varmo estas julio pro kalorio (J/kal), kio signifas, ke unu julio da laboro produktas unu kalion da varmo. Unu kalorio estas la kvanto de varmo bezonata por pligrandigi la temperaturon de unu gramo da akvo je unu grado celsia.
Kiel estis Mekanika Ekvivalento de Varmo Malkovrita?
La ideo, ke mekanika laboro kaj varmo estas interŝanĝeblaj, unuafoje estis sugestita de Benjamin Thompson, ankaŭ konata kiel Graf Rumford, en 1798. Li observis, ke granda kvanto de varmo estis produktita per frakcio dum forĵetado de kanonoj en arzenalo en München. Li konkludis, ke varmo ne estas substanco, kiel antaŭe pensite, sed formo de moviĝo.
Tamen, Rumford ne provizis numeran valoron por la mekanika ekvivalento de varmo, nek li faris kontrolitan eksperimenton por mezuri ĝin. Liaj observaĵoj estis defiitaj de subtenantoj de la kalor-teorio, kiu tenis, ke varmo estas fluido, kiu fluas de varmaj al malvarmaj korpoj.
La unua persono, kiu faris precizan eksperimenton por determini la mekanikan ekvivalenton de varmo, estis James Prescott Joule, anglia fizikisto kaj bieristaro. En 1845 li publikigis artikolon titolitan "La Mekanika Ekvivalento de Varmo", en kiu li priskribis sian aparaton kaj metodon.
Joule uzis kupran kalorimetron plenan akvon kun palet-roda mekanismo, kiu estis atachita al falantaj pezoj.
Kiam la pezoj falis, ili turnis la palet-radon, kiu stiris la akvon en la kalorimetron. La kineta energio de la pezoj kaj la palet-rodo estis konvertita en varma energio en la akvo. Joule mezuris la temperaturmonton de la akvo kaj kalkulis la kvanton de laboro farita de la pezoj. Li ripetis ĉi tiun eksperimenton kelkfoje kun diversaj pezoj kaj altoj kaj trovitis konstantan valoron por J: 778.24 pied-pundo-forco pro grado farenhejt (4.1550 J/kal).
Eksperimento de Joule pruvis, ke laboro kaj varmo estas ekvivalentaj kaj konservataj,
tio signifas, ke ili ne povas esti kreitaj aŭ detruigitaj, sed nur transformitaj de unu formo al alia. Tio estis granda avanprogresado en la disvolviĝo de termodinamiko, kiu estas la studo de energio kaj ĝiaj transformoj.
Kiajn Aplikaĵojn havas la Mekanika Ekvivalento de Varmo?
La koncepto de la mekanika ekvivalento de varmo havas multajn aplikaĵojn en scienco kaj inĝenierado. Ekzemple:
Ĝi klarigas, kiel motoroj funkcias, konvertante kemian energion en fujo en mekanikan energion en moviĝon.
Ĝi helpas nin kalkuli la efikecon de maŝinoj kaj procezoj, komparante la eniga laboron kaj eliga varmon.
Ĝi permesas nin dezajni aparatojn, kiuj povas konverti malutilan varmon en utilan laboron, kiel ekzemple termoelektraj generatoroj.
Ĝi ebligas nin kompreni, kiel vivantaj organismoj uzas metabolan energion por fari diversajn funkciojn.
La mekanika ekvivalento de varmo estas ankaŭ rilatita al aliaj gravaj konceptoj en termodinamiko, kiel ekzemple entropio, specifa varmacapablo, latentvarmo, kaj termala dilatiĝo.
Konkludo
En ĉi tiu artikolo ni lernis pri la mekanika ekvivalento de varmo,
kiu estas la kvanto de laboro bezonata por produkti unuunan kvanton de varmo en sistemo. Ni ankaŭ vidis, kiel ĉi tiu koncepto estis malkovrita de Rumford kaj Joule tra eksperimentoj pri frakcio kaj stirado de akvo. Fine, ni diskutis iujn aplikaĵojn kaj implikaĵojn de ĉi tiu koncepto en scienco kaj inĝenierado.
Deklaro: Respektu la originalon, bonajn artikolojn valoras dividadi, se estas ĉiujnrajtoj petu forigu.
