機械仕事と熱がどのように相互変換されるか

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フィールド: 基本電気

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この記事では、機械仕事と熱が互いに変換できるという熱の機械的等価性の概念について探求します。また、このアイデアにつながった実験や発見、そしてそれが熱力学の科学を確立するのにどのように役立ったかについても学びます。

熱の機械的等価性とは何か？

熱の機械的等価性は、機械仕事と熱との間の関係を説明する用語です。

これは、システムで単位量の熱を生み出すために必要な仕事量として定義されます。熱の機械的等価性の記号はJであり、これを最初に測定した科学者の名前からジュールの定数またはジュールの熱の機械的等価性とも呼ばれます。

熱の機械的等価性の公式は以下の通りです：

ここでWはシステムに対して行われた仕事、Qはシステムで生成された熱を表します。

熱の機械的等価性の単位はジュール毎カロリー（J/cal）であり、これは1ジュールの仕事が1カロリーの熱を生み出すことを意味します。1カロリーは1グラムの水の温度を摂氏1度上昇させるために必要な熱量です。

熱の機械的等価性はどのように発見されたか？

機械仕事と熱が相互に変換できることを初めて示唆したのは、ベンジャミン・トンプソン（ラムフォード伯爵としても知られる）でした。彼は1798年にミュンヘンの軍需工場で大砲の銃身を削る際に摩擦によって大量の熱が発生することを観察しました。彼は熱が以前に考えられていた物質ではなく、運動の一種であると結論付けました。

しかし、ラムフォードは熱の機械的等価性の数値的な値を提供せず、それを測定するための制御実験も行いませんでした。彼の観察は、熱が流体であり、高温の物体から低温の物体へと流れるとするカロリック理論の支持者たちに挑戦されました。

熱の機械的等価性を決定するために正確な実験を行った最初の人間は、イギリスの物理学者であり醸造家でもあったジェームズ・プレスコット・ジュールでした。1845年には「熱の機械的等価性」というタイトルの論文を発表し、その装置と方法を説明しました。

ジュールは銅製のカロリメーターに水を入れ、落下する重りに連結されたパドルホイール機構を使用しました。

重りが落ちるとパドルホイールが回転し、カロリメーター内の水を攪拌しました。重りとパドルホイールの運動エネルギーは水の熱エネルギーに変換されました。ジュールは水の温度上昇を測定し、重りによって行われた仕事量を計算しました。彼は異なる重りと高さでこの実験を繰り返し、Jの一定の値を見つけました：778.24 フィートポンド力毎華氏度（4.1550 J/cal）。

ジュールの実験は、仕事と熱が等価であり保存されることを証明しました。