Comment le travail mécanique et la chaleur sont interchangeables
Dans cet article, nous explorerons le concept de l'équivalent mécanique de la chaleur, qui stipule que le travail mécanique et la chaleur peuvent être convertis l'un en l'autre. Nous apprendrons également les expériences et découvertes qui ont conduit à cette idée et comment elle a contribué à établir la science de la thermodynamique.
Qu'est-ce que l'équivalent mécanique de la chaleur ?
L'équivalent mécanique de la chaleur est un terme qui décrit la relation entre le travail mécanique et la chaleur.
Il est défini comme la quantité de travail nécessaire pour produire une unité de chaleur dans un système. Le symbole de l'équivalent mécanique de la chaleur est J, et il est également connu sous le nom de constante de Joule ou d'équivalent mécanique de la chaleur de Joule, du nom du scientifique qui l'a mesuré en premier.
La formule de l'équivalent mécanique de la chaleur est :
où W est le travail effectué sur un système, et Q est la chaleur générée dans le système.
L'unité de l'équivalent mécanique de la chaleur est le joule par calorie (J/cal), ce qui signifie qu'un joule de travail produit une calorie de chaleur. Une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau d'un degré Celsius.
Comment a été découvert l'équivalent mécanique de la chaleur ?
L'idée que le travail mécanique et la chaleur sont interchangeables a été suggérée pour la première fois par Benjamin Thompson, également connu sous le nom de Comte Rumford, en 1798. Il a observé qu'une grande quantité de chaleur était générée par frottement lors de l'alésage de canons dans une arsénale de Munich. Il a conclu que la chaleur n'était pas une substance, comme on le pensait auparavant, mais une forme de mouvement.
Cependant, Rumford n'a pas fourni de valeur numérique pour l'équivalent mécanique de la chaleur, ni n'a mené d'expérience contrôlée pour le mesurer. Ses observations ont été contestées par les partisans de la théorie calorique, qui soutenaient que la chaleur était un fluide qui s'écoulait des corps chauds vers les corps froids.
La première personne à réaliser une expérience précise pour déterminer l'équivalent mécanique de la chaleur a été James Prescott Joule, un physicien anglais et brasseur. En 1845, il a publié un article intitulé "L'équivalent mécanique de la chaleur", dans lequel il a décrit son appareil et sa méthode.
Joule a utilisé un calorimètre en cuivre rempli d'eau et un mécanisme de roue à pales attaché à des poids tombants.
Lorsque les poids tombaient, ils faisaient tourner la roue à pales, qui agitait l'eau à l'intérieur du calorimètre. L'énergie cinétique des poids et de la roue à pales était convertie en énergie thermique dans l'eau. Joule a mesuré l'augmentation de la température de l'eau et a calculé la quantité de travail effectué par les poids. Il a répété cette expérience plusieurs fois avec différents poids et hauteurs et a trouvé une valeur constante pour J : 778,24 pied-livre-force par degré Fahrenheit (4,1550 J/cal).
L'expérience de Joule a prouvé que le travail et la chaleur étaient équivalents et conservés,
ce qui signifie qu'ils ne pouvaient pas être créés ou détruits, mais seulement transformés d'une forme à une autre. Cela a été une percée majeure dans le développement de la thermodynamique, qui est l'étude de l'énergie et de ses transformations.
Quelles sont les applications de l'équivalent mécanique de la chaleur ?
Le concept de l'équivalent mécanique de la chaleur a de nombreuses applications en science et en ingénierie. Par exemple :
Il explique comment les moteurs fonctionnent en convertissant l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique en mouvement.
Il nous aide à calculer l'efficacité des machines et des processus en comparant le travail d'entrée et la chaleur de sortie.
Il nous permet de concevoir des dispositifs qui peuvent convertir la chaleur perdue en travail utile, tels que les générateurs thermoelectriques.
Il nous permet de comprendre comment les organismes vivants utilisent l'énergie métabolique pour effectuer diverses fonctions.
L'équivalent mécanique de la chaleur est également lié à d'autres concepts importants en thermodynamique, tels que l'entropie, la capacité thermique spécifique, la chaleur latente et la dilatation thermique.
Conclusion
Dans cet article, nous avons appris l'équivalent mécanique de la chaleur,
qui est la quantité de travail nécessaire pour produire une unité de chaleur dans un système. Nous avons également vu comment ce concept a été découvert par Rumford et Joule à travers des expériences sur le frottement et le brassage de l'eau. Enfin, nous avons discuté de certaines applications et implications de ce concept en science et en ingénierie.
Déclaration : Respectez l'original, de bons articles méritent d'être partagés, si vous avez des questions concernant le droit d'auteur, veuillez contacter pour supprimer.
