მექანიკური სამუშაოდან თბილობაში გადატრანსფორმება
ამ სტატიაში ჩვენ განვიხილავთ მექანიკური თეპლის ექვივალენტის კონცეფციას, რომელიც აღნიშნავს, რომ მექანიკური მუშაობა და თეპლო შეიძლება ერთმანეთში გადაიყვანოს. ჩვენ ასევე განვიხილავთ იმ ექსპერიმენტებს და გამოწვევებს, რომლებმაც მიიყვანა ამ იდეამდე და როგორ დაეხმარა ეს თერმოდინამიკის მეცნიერების დასამყარებლად.
რა არის მექანიკური თეპლის ექვივალენტი?
მექანიკური თეპლის ექვივალენტი არის ტერმინი, რომელიც აღნიშნავს მექანიკურ მუშაობას და თეპლოს შორის კავშირს.
ეს არის განსაზღვრული როგორც სისტემაში ერთი ერთეული თეპლის შემდგომ დასახარჯად საჭირო მუშაობის რაოდენობა. მექანიკური თეპლის ექვივალენტის სიმბოლოა J და ასევე ცნობილია როგორც ჯულის მუდმივა ან ჯულის მექანიკური თეპლის ექვივალენტი, რომელიც დასახელდა მეცნიერის პირველი ზუსტი ზომის შესახებ, რომელმაც ეს შესაძლოა გამოითვალა.
მექანიკური თეპლის ექვივალენტის ფორმულა არის:
სადაც W არის სისტემაზე დახარჯული მუშაობა, ხოლო Q არის სისტემაში შექმნილი თეპლო.
მექანიკური თეპლის ექვივალენტის ერთეული არის ჯული კალორიაზე (J/cal), რაც ნიშნავს, რომ ერთი ჯულის მუშაობა შეიძლება შექმნას ერთი კალორია თეპლო. ერთი კალორია არის ის თეპლო, რომელიც საჭიროა ერთი გრამი წყლის ტემპერატურის ამაღლება ერთი გრადუსით ცელსიუსით.
როგორ გამოითვალა მექანიკური თეპლის ექვივალენტი?
იდეა, რომ მექანიკური მუშაობა და თეპლო შეიძლება ერთმანეთში გადაიყვანოს, პირველად შემოთავაზა ბენჯამინ ტომპსონმა, ასევე ცნობილი როგორც რუმფორდი, 1798 წელს. მან დააკვირვა, რომ დიდი რაოდენობის თეპლო იწყებოდა სახელმწიფო არსენალში მუნიხში, როდესაც კანონების ბარაბანები იწყებდა დახურვას. მან დასკვნა, რომ თეპლო არ იყო სახელი, როგორც ადრე ფიქრობდნენ, არამედ მოძრაობის ფორმა.
თუმცა, რუმფორდმა არ მისცა მექანიკური თეპლის ექვივალენტის რიცხვითი მნიშვნელობა და არც ჩატარა კონტროლირებული ექსპერიმენტი მისი ზუსტი ზომისთვის. მისი დაკვირვებები გამოწვეული იყო კალორიკური თეორიის მხარდარებლების მიერ, რომელიც ფიქრობდა, რომ თეპლო იყო ფლუიდი, რომელიც დინდობდა ცხელიდან ცივი სხეულებისკენ.
პირველი ადამიანი, რომელმაც ჩატარა ზუსტი ექსპერიმენტი მექანიკური თეპლის ექვივალენტის დასადგენად, იყო ჯეიმს პრესკოტ ჯული, ინგლისელი ფიზიკოსი და ბრენდი. 1845 წელს მან გამოაცხადა სტატია "მექანიკური თეპლის ექვივალენტი", რომელშიც აღწერა თავისი აპარატი და მეთოდი.
ჯულმა გამოიყენა კალორიმეტრი, სავსე წყლით და სასტუმრო მექანიზმი, რომელიც დაკავშირებული იყო ქვედა წონებთან.
როდესაც წონები ჩამოვიდოდნენ, ისინი მოძრავი ხარისხით ირთულებდნენ წყლის კალორიმეტრში. წონების და მოძრავი ხარისხის კინეტიკური ენერგია იქცეოდა თეპლოენერგიად წყლის შემდეგ. ჯულმა დაზუსტა წყლის ტემპერატურის ზრდა და დათვალა წონების მიერ დახარჯული მუშაობა. მან რამდენჯერმე გამეორა ეს ექსპერიმენტი სხვადასხვა წონებით და სიმაღლეებით და იპოვა სტაბილური მნიშვნელობა J-სთვის: 778.24 ფუტ-ფუნტ-ძალა ფარენჰაიტზე (4.1550 J/cal).
ჯულის ექსპერიმენტი დაადგინა, რომ მუშაობა და თეპლო იყვნენ ექვივალენტური და შენახული,
რაც ნიშნავდა, რომ ისინი არ შეიძლება შეიქმნას ან დაინახოს, არამედ მხოლოდ ერთი ფორმიდან მეორეში გადაიყვანოს. ეს იყო დიდი სიტყვა თერმოდინამიკის განვითარებაში, რომელიც არის ენერგიის და მისი ტრანსფორმაციების შესწავლა.
რა არის მექანიკური თეპლის ექვივალენტის ზოგიერთი გამოყენება?
მექანიკური თეპლის ექვივალენტის კონცეფცია აქვს ბევრი გამოყენება მეცნიერებაში და ინჟინერიაში. მაგალითად:
ეს ახსნის, როგორ მუშაობენ ძრავები, ქიმიურ ენერგიის საწვავში მექანიკურ ენერგიაში მოძრაობის გადართვით.
ეს დაგვეხმარება დავთვალოთ მანქანების და პროცესების ეფექტურობა, შედარებით შესავალ მუშაობასა და გამოსავალ თეპლოს.
ეს დაგვეხმარება დავიმუშავოთ მოწყობილობები, რომლებიც შეიძლება გადაიყვანონ დანარჩენ თეპლოს სასარგებლო მუშაობაში, როგორიცაა
