Kako su mehanički rad i toplina međusobno zamjenjivi
U ovom članku istražit ćemo koncept mehaničkog ekvivalenta toplote, koji tvrdi da se mehanički rad i toplota mogu pretvoriti jedno u drugo. Također ćemo naučiti o eksperimentima i otkrićima koji su doveli do ove ideje te kako je ona pomogla u uspostavi znanosti termodinamike.
Što je mehanički ekvivalent toplote?
Mehanički ekvivalent toplote je termin koji opisuje odnos između mehaničkog rada i toplote.
Definira se kao količina rada potrebna za proizvodnju jedinice toplote u sustavu. Simbol za mehanički ekvivalent toplote je J, i poznat je i kao Jouleova konstanta ili Jouleov mehanički ekvivalent toplote, nazvan po znanstveniku koji je prvi put izmjerio tu vrijednost.
Formula za mehanički ekvivalent toplote glasi:
gdje je W rad obavljen na sustav, a Q toplota generirana u sustavu.
Jedinica za mehanički ekvivalent toplote je džul po kaloriji (J/cal), što znači da jedan džul rada proizvodi jednu kaloriju toplote. Jedna kalorija je količina toplote potrebna da se temperatura jednog grama vode podigne za jedan stupanj Celzijusa.
Kako je otkriven mehanički ekvivalent toplote?
Ideja da su mehanički rad i toplota međusobno zamjenjivi prvi put je predložena 1798. godine od strane Benjamina Thompsona, poznatog i kao grof Rumford. On je promatrao da se velika količina toplote generira trljajući topove u arzenalu u Munchenu. Zaključio je da toplina nije tvari, kao što se prije smatralo, već oblik gibanja.
Međutim, Rumford nije dao numeričku vrijednost mehaničkog ekvivalenta toplote, niti je provedao kontrolirani eksperiment za njegovo mjerenje. Njegova su promatraja bila izazvana zagovornicima teorije kalorice, koja je tvrdila da je toplina fluid koji teče od toplijih prema hladnijim tijelima.
Prva osoba koja je izvršila precizan eksperiment za određivanje mehaničkog ekvivalenta toplote bio je engleski fizičar i pivara James Prescott Joule. 1845. godine objavio je rad pod naslovom "Mehanički ekvivalent toplote", u kojem je opisao svoj aparat i metodu.
Joule koristio je bakreni kalorimetar pun vode i mehanizam s pločama vezan uz padajuće težine.
Kako su težine padale, okretale su pločice, koje su miješale vodu unutar kalorimetra. Kinetička energija težina i pločica pretvorena je u toplinsku energiju vode. Joule je izmjerio porast temperature vode i izračunao količinu rada obavljenog težinama. Ponovio je ovaj eksperiment nekoliko puta s različitim težinama i visinama i pronašao je konzistentnu vrijednost za J: 778.24 stopa-funt-sila po stupnju Fahrenheita (4.1550 J/cal).
Eksperiment Joulea dokazao je da su rad i toplota ekvivalentni i očuvani,
što znači da se ne mogu stvoriti ili uništiti, već samo transformirati iz jedne forme u drugu. To je bio veliki napredak u razvoju termodinamike, koja je znanost o energiji i njenim transformacijama.
Koji su neki primjeni mehaničkog ekvivalenta toplote?
Koncept mehaničkog ekvivalenta toplote ima mnoge primjene u znanosti i inženjerstvu. Na primjer:
Objašnjava kako motori rade pretvarajući kemijsku energiju goriva u mehaničku energiju gibanja.
Pomaže nam u izračunu učinkovitosti strojeva i procesa usporedbom ulaznog rada i izlazne toplote.
Omogućuje nam dizajniranje uređaja koji mogu pretvoriti otpadnu toplotu u korisni rad, poput termoelektričnih generatora.
Omogućuje nam razumijevanje kako živim organizmi koriste metabolnu energiju za izvođenje različitih funkcija.
Mehanički ekvivalent toplote također je povezan s drugim važnim konceptima u termodinamici, poput entropije, specifične toplinske kapacitete, latentne toplote i termalne ekspanzije.
Zaključak
U ovom članku smo naučili o mehaničkom ekvivalentu toplote,
koji je količina rada potrebna za proizvodnju jedinice toplote u sustavu. Također smo vidjeli kako je ovaj koncept otkriven od strane Rumforda i Joulea kroz eksperimente s trenjem i miješanjem vode. Na kraju, raspravili smo o nekim primjenama i implikacijama ovog koncepta u znanosti i inženjerstvu.
Izjava: Cijenite original, dobre članke vrijedi podijeliti, ako je došlo do kršenja autorskih prava molimo o brisanje.
