Mekaanisen työn ja lämmön vaihtokäyttö

Tässä artikkelissa tutustumme lämpöenergian mekaaniseen vastineeseen, joka kertoo, että mekaaninen työ ja lämpö voidaan muuttaa toisikseen. Tarkastelemme myös kokeita ja löydöksiä, jotka johtivat tähän ajatukseen, ja miten se auttoi perustamaan termodynamiikan tieteen.

Mitä on lämpöenergian mekaaninen vastine?

Lämpöenergian mekaaninen vastine on termi, joka kuvaa suhdetta mekaanisen työn ja lämpöenergian välillä.

Se määritellään järjestelmään tuotettavan yhden yksikön määrän lämpöenergian vaatimana työnä. Lämpöenergian mekaanisen vastineen symboli on J, ja sitä kutsutaan myös Joulen vakoksi tai Joulen mekaaniseksi vastineeksi lämpöenergialle, jota mittasi ensimmäisenä kyseinen tiedemies.

Lämpöenergian mekaanisen vastineen kaava on:

missä W on tehty työ järjestelmälle, ja Q on järjestelmään tuotettu lämpö.

Lämpöenergian mekaanisen vastineen yksikkö on joule per kalori (J/cal), mikä tarkoittaa, että yhden jouleen työ tuottaa yhden kallon määrän lämpöä. Yksi kalori on se määrä lämpöä, joka tarvitaan yhden gramman veden lämpötilan nostamiseksi yhdellä celsius-asteella.

Miten lämpöenergian mekaaninen vastine havaittiin?

Idea, että mekaaninen työ ja lämpö ovat keskenään vaihtokelpoisia, ehdotti ensimmäisenä Benjamin Thompson, tunnettu myös nimellä Count Rumford, vuonna 1798. Hän havaisi, että Münchenissä olevassa arsenaalissa kanonien puhdistaessa syntyi paljon lämpöä kitkasta. Hän pääteli, että lämpö ei ollut aine, kuten aiemmin uskottiin, vaan liikkeen muoto.

Rumford ei kuitenkaan antanut numeerista arvoa lämpöenergian mekaaniselle vastineelle, eikä hän ole tehnyt kontrolloitua kokeilua sen mittaamiseksi. Hänen havaintonsa haastettiin kaloriteorian kannattajien taholta, jotka pitivät lämmötä nesteyttynä, joka virtasi kuivalta kohteelta kuumalle kohteelle.

Ensimmäinen henkilö, joka suoritti tarkan kokeen lämpöenergian mekaanisen vastineen määrittämiseksi, oli James Prescott Joule, englantilainen fysiikko ja panimonija. Vuonna 1845 hän julkaisi paperin nimeltä "The Mechanical Equivalent of Heat", jossa hän kuvaili laitteistoaan ja menetelmäänsä.

Joule käytti kuparin kaloriometria, joka oli täytetty vedellä, ja vesiradalla varustettua purjevesijärjestelmää, joka oli kiinnitetty putkiin pudonneisiin painoihin.

Kun painot pudonneet, ne käänsivät purjevesiä, jotka levittivät vettä kaloriometrin sisällä. Painojen ja purjevesien kinettinen energia muutettiin lämpöenergiaksi vedessä. Joule mitta