Kuidas on mehaaniline töö ja soe omavahel sõltuvad

Selles artiklis uurime soojuse mehaanilise ekvivalendi mõistet, mis väidab, et mehaaniline töö ja soojus võivad üksteisest tekkida. Õppime ka eksperimentide ja avastuste, mis viisid selle mõisteni, ning kuidas see aitas luua termodünaamika teadust.

Mis on soojuse mehaaniline ekvivalent?

Soojuse mehaaniline ekvivalent on term, mis kirjeldab seost mehaanilise töö ja soojuse vahel.

See defineeritakse kui nii palju tööd, mis on vajalik, et toota üksühiku soojus süsteemis. Soojuse mehaanilise ekvivalendi sümbol on J, ja seda tuntakse ka Joule'i konstandina või Joule'i soojuse mehaanilise ekvivalentina, nimega teadlase järgi, kes seda esimesena mõõtis.

Soojuse mehaanilise ekvivalendi valem on:

kus W on süsteemi jaoks tehtud töö, ja Q on süsteemis tekkinud soojus.

Soojuse mehaanilise ekvivalendi ühik on džouli kalorii kohta (J/cal), mis tähendab, et üks džoul tööd toodab ühe kalorii soojust. Üks kalorii on soojuse kogus, mis on vajalik, et tõsta ühe grammi veesi temperature ühe kraadi celsiuse võrra.

Kuidas avastati soojuse mehaaniline ekvivalent?

Idea, et mehaaniline töö ja soojus on omavahel vastastikku tekitavad, esitas esmakordselt Benjamin Thompson, tuntud ka Count Rumfordina, aastal 1798. Ta märkas, et suur hulk soojust tekib tribimisel, kui püksi Munichi arsenalis. Ta järeldas, et soojus ei ole substants, nagu eelnevalt arvati, vaid liikumise vorm.

Kuid Rumford ei andnud numbrilist väärtust soojuse mehaanilisele ekvivalentile, ega juhtinud läbi kontrollitud eksperimenti selle mõõtmiseks. Tema märgatlused väljakutsetaksid kalori teooria toetajaid, kes väitsid, et soojus on vedelik, mis virtsib sooja kõrge temperatuuriga kehadest külmade madala temperatuuriga kehadesse.

Esimene inimene, kes läbi viis täpse eksperimenti, et määra soojuse mehaanilise ekvivalenti, oli James Prescott Joule, inglise füüsik ja ööluvalmistaja. Aastal 1845 avaldas ta artikli pealkirjaga "Soojuse mehaaniline ekvivalent", kus ta kirjeldas oma seadet ja meetodit.

Joule kasutas kupervarba, mis oli täidetud veega, ja piiskava ratasmeehaniikaga, mis oli kiinnitatud langlevatele kaaludele.

Kui kaalud langlesid, nad keerutasid piiska ratasmeehaniiki, mis segas vett varbas. Kaalude ja piiska ratasmeehaniigi kinetiline energia tekkis soojuse energiana vees. Joule mõõdis vee temperatuuri tõusu ja arvutas, kui palju tööd tehti kaalude poolt. Ta kordas seda eksperimenti mitmel korral erinevate kaalude ja kõrgustega ning leidis J-le konsekventse väärtuse: 778.24 jalga-punkti-jõud per graad Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Joule'i eksperiment tõestas, et töö ja soojus on ekvivalentsed ja säilituvad,

mis tähendab, et neid ei saa luua ega hävitada, vaid neid saab vahetult ühest vormist teiseks teisendada. See oli oluline läbimurde termodünaamika arengus, mis on energia ja selle teisenduste uurimine.

Mis on mõned soojuse mehaanilise ekvivalenti rakendused?

Soojuse mehaanilise ekvivalenti mõisteil on palju rakendusi teaduses ja insenerides. Näiteks:

• See selgitab, kuidas mootorid töötavad, teisendades kütuse keemilise energiat mehaaniliseks energiaks liigutuses.

• See aitab meil arvutada masinate ja protsesside efektiivsust, võrreldes sisendtööd ja väljundsoojust.

• See lubab meil disainida seadmeid, mis saavad teisendada jäägisoojust kasutusse, näiteks termoelektrilised generaatorid.

• See võimaldab meil mõista, kuidas elavad organismed kasutavad metaboolset energiat erinevate funktsioonide elluviimiseks.

Soojuse mehaaniline ekvivalent on seotud ka teiste olulistega termodünaamika mõistetega, nagu entroopia, spetsiifiline soojuskapasitus, latentne soojus ja termiline laienemine.

Järeldus

Selles artiklis olemme õppinud soojuse mehaanilise ekvivalenti kohta,

mis on töö kogus, mis on vajalik, et toota üksühiku soojus süsteemis. Oledame ka näinud, kuidas see mõiste avastati Rumfordi ja Joule'i poolt tribimise ja vee segamise eksperimentide kaudu. Lõpuks on me arutanud mõnda rakendust ja implikatsiooni selle mõistega teaduses ja insenerides.

Deklaratsioon: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.