Mekként cserélhető a mechanikai munka és a hő egyetemesen
Ebben a cikkben megvizsgáljuk a hő mechanikai egyenértékének fogalmát, amely szerint a mechanikai munka és a hő átalakíthatók egymásba. Megismerkedünk azzal az kísérletekkel és felfedezésekkel is, amelyek vezettek ehhez az elképzeléshez, és hogyan segítette ez a termodinamika tudományának megalapítását.
Mi a hő mechanikai egyenértéke?
A hő mechanikai egyenértéke egy kifejezés, amely leírja a mechanikai munka és a hő közötti összefüggést.
Ez a rendszerben lévő egységnyi hő termeléséhez szükséges munka mennyiségét jelenti. A hő mechanikai egyenértékének jele J, és Joule-állandónak vagy Joule hő mechanikai egyenértékének is nevezik, aki először mérte ezt.
A hő mechanikai egyenértékének képlete:
ahol W a rendszerre végzett munka, és Q a rendszerben generált hő.
A hő mechanikai egyenértékének mértékegysége joule per kalória (J/kcal), ami azt jelenti, hogy egy joule munka egy kalória hőt termel. Egy kalória annyi hő, amennyi egy gramm víz hőmérsékletének egy fok Celsius-os emeléséhez szükséges.
Hogyan fedezték fel a hő mechanikai egyenértékét?
Az, hogy a mechanikai munka és a hő átalakíthatók egymásba, először Benjamin Thompson, más néven Count Rumford javasolta 1798-ban. Ő figyelte meg, hogy nagy mennyiségű hő keletkezik súrlódáskor, amikor lövedékköpenyeket alakítottak ki egy münchner hadifegyverzetben. Következtetése szerint a hő nem anyag, ahogy korábban gondolták, hanem mozgás forma.
Rumford azonban nem adott numerikus értéket a hő mechanikai egyenértékére, sem nem végezett kontrollált kísérletet annak meghatározására. Megfigyeléseit a caloric elmélet támogatói kérdőjelelték, amely szerint a hő egy folyadék, amely forróbb testekből áramlik hidebb testekbe.
Az első, aki pontos kísérletet végzett a hő mechanikai egyenértékének meghatározására, James Prescott Joule volt, egy angol fizikus és sörfőző. 1845-ben publikált egy cikket, amelynek címe "A hő mechanikai egyenértéke", amelyben leírta eszközét és módszerét.
Joule egy rézből készült kalorimetert használt, amelyben víz és egy pályamozdulattal rendelkező kerék volt, amely eső súlyokhoz csatlakoztatva volt.
Ahogy a súlyok estek, ők forgatták a kerépet, amely elkezdte elmozdítani a vizet a kalorimetern belül. A súlyok és a kerék kinetikus energiája hőenergiává alakult a vizben. Joule mérte a víz hőmérsékleti emelkedését, és kiszámította a súlyok által végzett munkát. Többször is ismételte meg ezt a kísérletet különböző súlyokkal és magasságokkal, és konzisztens értéket talált J-re: 778.24 lábfölöntről Fahrenheit fok (4.1550 J/kcal).
Joule kísérlete bizonyította, hogy a munka és a hő egyenértékűek és megmaradók,
azaz, hogy nem hozhatók létre vagy semmisülhetnek, csak egy formából egy másikba alakíthatók. Ez volt a termodinamika, az energia és annak átalakításainak tanulmányozása fejlesztésének jelentős áttörése.
Mi a hő mechanikai egyenértékének alkalmazásai?
A hő mechanikai egyenértékének sok alkalmazása van a tudományban és a mérnöki gyakorlatban. Például:
Megmagyarázza, hogyan működnek a gépek, ahol a üzemanyag kémiai energiája mechanikai energiává alakul a mozgásban.
Segít a gépek és folyamatok hatékonyságának kiszámításában, az input munka és output hő összevetésével.
Lehetővé teszi olyan eszközök tervezését, amelyek a hulladék hőt hasznos munkává alakítják, például a termoelektromos generátorok.
Segít megérteni, hogyan használják a élő szervezetek a metabolikus energiát különböző funkciók elvégzésére.
A hő mechanikai egyenértéke kapcsolódik más fontos termodinamikai fogalmakhoz is, mint az entrópia, a specifikus hőkapacitás, a rejtett hő és a hőmérsékleti bővülés.
Következtetés
Ebben a cikkben megtanultuk a hő mechanikai egyenértékéről,
ami a rendszerben lévő egységnyi hő termeléséhez szükséges munka mennyiségét jelenti. Megismerkedtünk azzal, hogyan fedezték fel ezt a fogalmat Rumford és Joule friccióval és víz keverésével végzett kísérleteivel. Végül beszélgettünk néhány alkalmazásról és következményről ezen a fogalomon belül a tudomány és a mérnöki gyakorlat területén.
Kijelentés: Tisztelettel a forrás iránt, a jó cikkek megosztása érdemes, ha sértés esetén lépjünk kapcsolatba a törlésével.
