איך עבודה מכנית וחום הם ניתנים להחלפה

במאמר זה נחקור את המושג של השוויון המכני של חום, שקובע שהעבודה המכנית והחום יכולים להמיר אחד לשני. נלמד גם על הניסויים והגילויים שהובילו לרעיון הזה וכיצד הוא עוזר לבנות את המדע של תרמודינמיקה.

מהו השוויון המכני של חום?

השוויון המכני של חום הוא מונח המתאר את היחס בין עבודה מכנית לחום.

הוא מוגדר ככמות העבודה הנדרשת כדי לייצר כמות יחידה של חום במערכת. הסימן עבור השוויון המכני של חום הוא J, והוא ידוע גם כקבוע ג'ול או השוויון המכני של ג'ול על שם המדען הראשון שמדד אותו.

הנוסחה עבור השוויון המכני של חום היא:

כאשר W היא העבודה שנעשתה במערכת, ו-Q הוא החום שנוצר במערכת.

היחידות עבור השוויון המכני של חום הן ג'אול לקלוריה (J/cal), מה שאומר שג'אול של עבודה מייצר קלוריה אחת של חום. קלוריה אחת היא כמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של מים במעלה צלזיוס אחת.

איך התגלה השוויון המכני של חום?

הרעיון שהעבודה המכנית והחום הם ניתנים להמרה הוצע לראשונה על ידי בנג'מין תומפסון, הידוע גם בשם הרוזן רמבוולד, בשנת 1798. הוא הבחין בכמות גדולה של חום שנוצרה על ידי חיכוך במהלך פירוק תותחים בארסנל במינכן. הוא הסיק שהחום אינו חומר, כפי שנחשב בעבר, אלא צורה של תנועה.

עם זאת, רמבוולד לא סיפק ערך מספרי עבור השוויון המכני של חום, ולא ביצע ניסוי מבוקר כדי למדוד אותו. הлюдיו שלו הופכים על ידי תומכי תורת הקלורית, שמפיהם החום היה נוזל שזרם מגופים חמים לגופים קרים.

האדם הראשון שביצע ניסוי מדויק כדי לקבוע את השוויון המכני של חום היה ג'יימס פרסטון ג'ול, פיזיקאי אנגלי ובירות. בשנת 1845 פרסם מאמר שכותרתו "השוויון המכני של חום", שבו תיאר את המכשיר והשיטה שלו.

ג'ול השתמש בקלורימטר נחושת מלא במים ומנגנון גלגל משוטים מחובר למשקלות נופלות.

כשמנעו המשקולות, הן סובבו את גלגל המשוטים, שהזיז את המים בתוך הקלורימטר. האנרגיה הקינטית של המשקולות וגלגל המשוטים הומרה לאנרגיית חום במים. ג'ול מדד את עליית הטמפרטורה של המים וחשב את כמות העבודה שנעשתה על ידי המשקולות. הוא חזר על הניסוי מספר פעמים עם משקולות שונות וגובהות שונות ומצא ערך עקבי עבור J: 778.24 רגל-פאונד כוח למדרגה פהרנהייט (4.1550 J/cal).

ניסויו של ג'ול הוכיח שהעבודה והחום הם שווים ונשמר,

כלומר שהם לא יכולים להיווצר או להיעלם אלא רק להתאים מאחד לצורה אחרת. זו הייתה התקדמות חשובה בהתפתחות התרמודינמיקה, שהיא חקר האנרגיה והתמרות שלה.

מהן כמה היישומים של השוויון המכני של חום?

המושג של השוויון המכני של חום יש לו יישומים רבים במדע ובתעשייה. למשל:

• הוא מסביר כיצד מנועים עובדים על ידי המרת אנרגיה כימית בדלק לאנרגיה מכנית בתנועה.

• הוא עוזר לנו לחשב אתעילות המכונות והתהליכים על ידי השוואת העבודה הזמינה והחום הנפלט.

• הוא מאפשר לנו לעצב מכשירים שיכולים להמיר חום פסול לעבודה שימושית, כגון מפעלי חשמל תרמיים.

• הוא מאפשר לנו להבין איך יצורים חיים משתמשים באנרגיה מטבולית כדי לבצע פונקציות שונות.

השוויון המכני של חום קשור גם למושגים אחרים חשובים בתרמודינמיקה, כגון אנטרופיה, קיבולת חום ספציפית, חום נסתר, והרחבה תרמית.

סיכום

במאמר זה למדנו על השוויון המכני של חום,

שהוא הכמות של עבודה הנדרשת כדי לייצר כמות יחידה של חום במערכת. ראינו גם כיצד הרעיון הזה התגלה על ידי רמבוולד וג'ול דרך ניסויים בחיכוך וערבוב מים. לבסוף, דיברנו על כמה היישומים והשלכות של הרעיון הזה במדע ובתעשייה.

הצהרה: כבוד למקור, מאמרים טובים ראויים לשיתוף, אם יש פגיעה בקניין רוחני נא לצרף מחיקה.