چگونه کار مکانیکی و گرما قابل تعویض هستند
در این مقاله، به بررسی مفهوم معادل مکانیکی گرما خواهیم پرداخت که بیان می‌کند کار مکانیکی و گرما می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. همچنین درباره آزمایش‌ها و کشفیاتی که منجر به این ایده شده‌اند و چگونه به تثبیت علم ترمودینامیک کمک کرده‌اند خواهیم آموخت.
معادل مکانیکی گرما چیست؟
معادل مکانیکی گرما یک عبارت است که رابطه بین کار مکانیکی و گرما را توصیف می‌کند.
این مقدار به عنوان مقدار کار لازم برای تولید واحدی از گرما در یک سیستم تعریف می‌شود. نماد معادل مکانیکی گرما J است و به ثابت جول یا معادل مکانیکی گرما به نام دانشمندی که ابتدا آن را اندازه‌گیری کرد نیز مشهور 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 گرما لازم برای افزایش دما یک گرم آب یک درجه سلسیوس است.
چگونه معادل مکانیکی گرما کشف شد؟
ایده اینکه کار مکانیکی و گرما قابل تعویض هستند ابتدا توسط بنجامین تامپسون، که با نام شاه رامفورد نیز شناخته می‌شود، در سال ۱۷۹۸ مطرح شد. او مشاهده کرد که مقدار زیادی گرما توسط اصطکاک در حین سوراخ کردن لوله توپخانه در یک اسلحخانه در مونیخ تولید می‌شود. او نتیجه گرفت که گرما یک ماده نیست، بلکه یک نوع حرکت است.
با این حال، رامفورد مقدار عددی برای معادل مکانیکی گرما ارائه نکرد و همچنین آزمایش کنترل شده‌ای برای اندازه‌گیری آن انجام نداد. مشاهدات او توسط حامیان نظریه کالوریک که معتقد بودند گرما یک مایع است که از بدن‌های گرم به سرد جریان می‌یابد، چالش برانگیز شد.
اولین شخصی که آزمایش دقیقی برای تعیین معادل مکانیکی گرما انجام داد جیمز پرستون جول، یک فیزیکدان و براوردکننده انگلیسی بود. در سال ۱۸۴۵، او مقاله‌ای با عنوان "معادل مکانیکی گرما" منتشر کرد که در آن دستگاه و روش خود را توصیف کرد.
جول از یک کالوریمتر مسی پر از آب و یک مکانیزم چرخ بالشتکی متصل به وزنه‌هایی که می‌افتند استفاده کرد.
وقتی وزنه‌ها می‌افتند، چرخ بالشتکی را می‌چرخاندند که آب داخل کالوریمتر را مخلوط می‌کرد. انرژی جنبشی وزنه‌ها و چرخ بالشتکی به انرژی گرما در آب تبدیل می‌شد. جول افزایش دما را در آب اندازه‌گیری کرد 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 ثابت کرد که کار و گرما معادل و حفظ شده‌اند،
به این معنا که آن‌ها نمی‌توانند خلق یا نابود شوند، بلکه فقط از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شوند. این یک پیشرفت مهم در توسعه ترمودینامیک، که مطالعه انرژی و تبدیلات آن است، بود.
برخی کاربردهای معادل مکانیکی گرما چیست؟
مفهوم معادل مکانیکی گرما کاربردهای زیادی در علوم و مهندسی دارد. به عنوان مثال:
این مفهوم توضیح می‌دهد که چگونه موتورها از طریق تبدیل انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی مکانیکی در حرکت کار می‌کنند.
این مفهوم به ما کمک می‌کند که کارایی ماشین‌ها و فرآیندها را با مقایسه کار ورودی و گرما خروجی محاسبه کنیم.
این مفهوم به ما اجازه می‌دهد دستگاه‌هایی طراحی کنیم که می‌توانند گرما ضایع شده را به کار مفید تبدیل کنند، مانند ژنراتورهای ترمیک الکتریکی.
این مفهوم به ما اجازه می‌دهد که 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، گرما پنهان و انبساط گرمایی.
نتیجه‌گیری
در این مقاله، به بررسی معادل مکانیکی گرما پرداختیم،
که مقدار کار لازم برای تولید واحدی از گرما در یک سیستم است. 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 پیامدهای این مفهوم در علوم و مهندسی صحبت کردیم.
