Kā Mekhāniskā Darba un Siltums ir Savstarpēji Maināmi
Šajā rakstā mēs izpētīsim mehāniskā siltuma ekvivalents, kas apgalvo, ka mehānisko darbu un siltumu var pārvērst viens otru. Mēs arī iepazīsimas ar eksperimentiem un atklājumiem, kas vedēja pie šīs idejas, un kā tā palīdzēja veidot termodinamikas zinātni.
Kas ir mehāniskais siltuma ekvivalents?
Mehāniskais siltuma ekvivalents ir termins, kas apraksta attiecības starp mehānisko darbu un siltumu.
Tas definēts kā darba daudzums, kas nepieciešams, lai sistēmā radītu vienības siltuma daudzumu. Mehāniskā siltuma ekvivalenta simbols ir J, un to arī pazīst kā Džoula konstante vai Džoula mehāniskais siltuma ekvivalents, nosaukts pēc zinātnieka, kurš to pirmo reizi izmērīja.
Mehāniskā siltuma ekvivalenta formula ir:
kur W ir darbs, veikts sistēmā, un Q ir sistēmā ģenerētais siltums.
Mehāniskā siltuma ekvivalenta mērvienība ir džeulis kalorijai (J/cal), kas nozīmē, ka viens džeulis darba radīs vienu kaloriju siltuma. Viens kalorija ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu viena gramma ūdens temperatūru par vienu grādu Celsija.
Kā tika atklāts mehāniskais siltuma ekvivalents?
Ideju, ka mehāniskais darbs un siltums ir savstarpēji maināmi, pirmo reizi piedāvāja Benjamins Tomspons, zināms arī kā grafs Rumfords, 1798. gadā. Viņš novēroja, ka strādājot ar kanonu stomaļiem armijas rūpnīcā Münhenē, tie radīja lielu siltuma daudzumu. Viņš secināja, ka siltums nav vēlme, kā agrāk domāja, bet gan kustības forma.
Tomēr, Rumfords neuzskaitīja mehāniskā siltuma ekvivalenta skaitlisko vērtību, neveica kontrollētu eksperimentu, lai to mērītu. Viņa novērojumi tika apstrīdēti kalora teorijas atbalstītājiem, kuri uzskatīja, ka siltums ir šķidrums, kas plūst no karstu uz saldu objektus.
Pirmā persona, kas veica precīzu eksperimentu, lai noteiktu mehānisko siltuma ekvivalentu, bija Džejms Preskots Džoul, angļu fiziķis un aluks. 1845. gadā viņš publicēja rakstu "Mehāniskais siltuma ekvivalents", kurā aprakstīja savu aparātu un metodi.
Džoul izmantoja medibas kalorimetru, pilnu ar ūdeni, un pagaistu mehānismu, kas bija piesaistīts lejošos svariem.
Kad svari lejupgāja, tie pagrieza pagaisti, kas uzspridzināja ūdeni kalorimetra iekšpusē. Svaru un pagaistu kinētiskā enerģija tika pārvērsta par siltuma enerģiju ūdenī. Džoul mērīja ūdens temperatūras paaugstinājumu un aprēķināja veikto darbu. Viņš atkārtota šo eksperimentu vairākas reizes ar dažādiem svariem un augstumiem un atrada konsekventu vērtību J: 778.24 pēdas-pounds spēka vienība Farenheita grādam (4.1550 J/cal).
Džoula eksperiments pierādīja, ka darbs un siltums ir ekvivalenti un saglabājas,
nozīmējot, ka to nevar radīt vai iznīcināt, bet tikai pārvērst no vienas formas uz otru. Tas bija liels solis termodinamikas attīstībā, kas ir energijas un tās transformāciju studija.
Kādas ir mehāniskā siltuma ekvivalenta lietojumprogrammas?
Mehāniskā siltuma ekvivalenta koncepts ir daudz lietojumu zinātnē un inženierzinātnē. Piemēram:
Tas izskaidro, kā dzinēji darbojas, pārvēršot degvielas ķīmisko enerģiju par mehānisko enerģiju kustībā.
Tas mums ļauj aprēķināt mašīnu un procesu efektivitāti, salīdzinot ievedamo darbu un izvedamo siltumu.
Tas ļauj mums dizainēt ierīces, kas var pārvērst atkritumu siltumu par noderīgu darbu, piemēram, termoelektriskos ģeneratorus.
Tas mums ļauj saprast, kā dzīvnieki izmanto metaboliskās enerģijas, lai veiktu dažādas funkcijas.
Mehāniskais siltuma ekvivalents ir arī saistīts ar citiem svarīgiem termodinamikas konceptiem, piemēram, entropiju, specifisko siltuma kapacitāti, potenciālo siltumu un termisko izplešanos.
Secinājums
Šajā rakstā mēs iepazīstāmies ar mehānisko siltuma ekvivalentu,
kas ir darba daudzums, kas nepieciešams, lai sistēmā radītu vienības siltuma daudzumu. Mēs arī redzējām, kā šis koncepts tika atklāts Rumford un Džoulam, veicot eksperimentus ar frikcionu un ūdens uzspridzināšanu. Visbeidzot, mēs apspriedām šī koncepta lietojumprogrammas un sekas zinātnē un inženierzinātnē.
Paziņojums: Cienījam oriģinālu, labi raksti vērts kopīgot, ja ir pārkāpums, lūdzu, sazinieties, lai to dzēst.
