چگونه کار مکانیکی و گرما قابل تبادل هستند

در این مقاله، مفهوم معادل مکانیکی گرما را که بیان می‌کند کار مکانیکی و گرما می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند، بررسی خواهیم کرد. همچنین درباره آزمایش‌ها و کشفیاتی که منجر به این ایده شده‌اند و چگونه به پایه‌گذاری علم ترمودینامیک کمک کرده‌اند، مطالعه خواهیم کرد.

معادل مکانیکی گرما چیست؟

معادل مکانیکی گرما اصطلاحی است که رابطه بین کار مکانیکی و گرما را توصیف می‌کند.

این مقدار کاری است که برای تولید یک واحد گرما در یک سیستم لازم است. نماد معادل مکانیکی گرما J است و به ثابت جول یا معادل مکانیکی گرما مشهور است که به نام دانشمندی که اولین بار آن را اندازه‌گیری کرد، نامگذاری شده است.

فرمول معادل مکانیکی گرما به صورت زیر است:

که در آن W کار انجام شده روی یک سیستم و Q گرما تولید شده در سیستم است.

واحد معادل مکانیکی گرما جول بر کالری (J/cal) است که به این معناست که یک جول کار یک کالری گرما تولید می‌کند. یک کالری مقدار گرماهای لازم برای افزایش دمای یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتیگراد است.

چگونه معادل مکانیکی گرما کشف شد؟

ایده اینکه کار مکانیکی و گرما قابل تعویض هستند ابتدا توسط بنجامین تامپسون، که با نام کنت رامفورد نیز شناخته می‌شود، در سال ۱۷۹۸ پیشنهاد شد. او مشاهده کرد که مقدار زیادی گرما توسط اصطکاک تولید می‌شود وقتی که دهانه توپ‌های توپخانه در یک آرسنال در مونیخ حفاری می‌شد. او نتیجه گرفت که گرما ماده‌ای نیست، مانند آنچه قبلاً فکر می‌شد، بلکه یک نوع حرکت است.

با این حال، رامفورد مقدار عددی معادل مکانیکی گرما را ارائه نکرد و آزمایش کنترل شده‌ای برای اندازه‌گیری آن انجام نداد. مشاهدات او توسط طرفداران نظریه کالوریکی که بر این باور بودند که گرما یک مایع است که از بدن‌های گرم به بدن‌های سرد جریان می‌یابد، چالش کرد.

اولین شخصی که آزمایش دقیقی برای تعیین معادل مکانیکی گرما انجام داد جیمز پرسکوت جول، یک فیزیکدان و برانیگر انگلیسی بود. در سال ۱۸۴۵، او مقاله‌ای با عنوان "معادل مکانیکی گرما" منتشر کرد که در آن وسیله و روش خود را توصیف کرد.

جول از یک کالوریمتر مسی پر از آب و یک مکانیسم پدال‌دار متصل به وزنه‌های می‌افتاده استفاده کرد.

وقتی وزنه‌ها می‌افتادند، آن‌ها پدال را می‌چرخاندند که آب داخل کالوریمتر را مخلوط می‌کرد. انرژی جنبشی وزنه‌ها و پدال به انرژی گرما در آب تبدیل می‌شد. جول افزایش دمای آب را اندازه گرفت و مقدار کار انجام شده توسط وزنه‌ها را محاسبه کرد. او این آزمایش را چندین بار با وزنه‌ها و ارتفاع‌های مختلف تکرار کرد و مقدار ثابتی برای J یعنی ۷۷۸.۲۴ فوت-پوند-نیرو بر درجه فارنهایت (۴.۱۵۵۰ J/cal) یافت.

آزمایش جول اثبات کرد که کار و گرما معادل و حفظ می‌شوند،

به این معنا که آن‌ها نمی‌توانند ایجاد یا نابود شوند بلکه فقط از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شوند. این یک پیشرفت مهم در توسعه ترمودینامیک، که مطالعه انرژی و تبدیل‌های آن است، بود.

برخی کاربردهای معادل مکانیکی گرما چیست؟

مفهوم معادل مکانیکی گرما کاربردهای زیادی در علم و مهندسی دارد. به عنوان مثال:

• این مفهوم توضیح می‌دهد که چگونه موتورها با تبدیل انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی مکانیکی در حرکت کار می‌کنند.

• این مفهوم به ما کمک می‌کند که با مقایسه کار ورودی و گرما خروجی، کارایی ماشین‌ها و فرآیندها را محاسبه کنیم.

• این مفهوم به ما اجازه می‌دهد دستگاه‌هایی طراحی کنیم که می‌توانند گرماهای ضایع را به کار مفید تبدیل کنند، مانند ژنراتورهای ترموالکتریک.

• این مفهوم به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چگونه موجودات زنده از انرژی متابولیک برای انجام عملکردهای مختلف استفاده می‌کنند.

معادل مکانیکی گرما همچنین با مفاهیم مهم دیگری در ترمودینامیک مرتبط است، مانند آنتروپی، ظرفیت گرمایی خاص، گرماهای پنهان و انبساط حرارتی.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، درباره معادل مکانیکی گرما،

که مقدار کاری است که برای تولید یک واحد گرما در یک سیستم لازم است، مطالعه کردیم. همچنین دیدیم که این مفهوم چگونه توسط رامفورد و جول از طریق آزمایش‌های اصطکاک و مخلوط کردن آب کشف شد. در نهایت، درباره برخی کاربردها و نتایج این مفهوم در علم و مهندسی صحبت کردیم.