Как механичката работа и топлината се разменливи

Во овој чланец ќе истражуваме концептот за механичка еквивалентност на топлината, кој вели дека механичкиот труд и топлината можат да се претворат една во друга. Ќе научиме и за експериментите и откритијата што доведоа до оваа идеја и како тоа помогна да се утврди науката за термодинамиката.

Што е механичката еквивалентност на топлината?

Механичката еквивалентност на топлината е термин кој опишува односот помеѓу механичкиот труд и топлината.

Ова е дефинирано како количина на труд потребен за да се произведе единично количество топлина во систем. Симболот за механичката еквивалентност на топлината е J, и познат е и како Џоулова константа или Џоулова механичка еквивалентност на топлината, по името на научникот кој први го измерил.

Формулата за механичката еквивалентност на топлината е:

каде W е трудот извршен на систем, а Q е топлината генерирана во системот.

Единицата за механичката еквивалентност на топлината е джоул по калорија (J/cal), што значи дека еден джоул труд произведува една калорија топлина. Една калорија е количината на топлина потребна за да се подигне температурата на еден грам вода за еден степен Целзиус.

Како беше откриена механичката еквивалентност на топлината?

Идејата дека механичкиот труд и топлината се меѓусебно заменливи беше први предложена од Бенџамин Томпсон, познат и како граф Румфорд, во 1798 година. Тој забележа дека голема количина топлина се генерираше од триенје при сврлување на цевки за топови во арсеналот во Муних. Заклучи дека топлината не е супстанција, како што се мислеа претходно, туку форма на движење.

Меѓутоа, Румфорд не дал нумеричка вредност за механичката еквивалентност на топлината, ниту извршил контролиран експеримент за нејзино мерење. Неговите набљудувања беа подмет на искуство од страна на пристојници на теоријата за калорика, која тврдела дека топлината е течност која тече од топли во холодни тела.

Првиот кој извршил прецизен експеримент за одредување на механичката еквивалентност на топлината беше Џејмс Прескот Џоул, англиски физичар и пивар. Во 1845 година, објавил есеј со наслов „Механичката еквивалентност на топлината“, во кој опишал својата апаратура и метод.

Џоул користел меден калориметар исполнет со вода и механизам со лопатки поврзан со паѓащи тежини.

Кога тежините паѓале, тие враќале лопатките, кои ги мешале водата во калориметарот. Кинетичката енергија на тежините и лопатките се претворувала во топлинска енергија во водата. Џоул мерил повисоката на температурата на водата и пресметал количината на труд извршен од тежините. Понови го овој експеримент неколку пати со различни тежини и висини и пронашол конзистентна вредност за J: 778.24 фут-фунт-сила по степен Фаренхајт (4.1550 J/cal).

Експериментот на Џоул докажа дека трудот и топлината се еквивалентни и се чуваат,

што значи дека тие не можат да се создадат или уништат, туку само да се претворат од една форма во друга. Ова беше голем прекин во развојот на термодинамиката, која е студија на енергијата и нејзините претворувања.

Што се некои применувања на механичката еквивалентност на топлината?

Концептот за механичката еквивалентност на топлината има многу применувања во науката и инженерството. На пример:

• Објаснува како работат моторите со претворување на хемиска енергија во горива во механичка енергија во движење.

• Помага ни да пресметаме ефективноста на машините и процесите со споредување на входната работа и излезната топлина.

• Нам дава можност да дизајнираме уреди кои можат да претворат отпадна топлина во корисна работа, како на пример термоелектрични генератори.

• Нам овозможува да разбереме како живите организми користат метаболичка енергија за извршување на различни функции.

Механичката еквивалентност на топлината е поврзана и со други важни концепти во термодинамиката, како што се ентропијата, специфичната теплина капацитет, латентната топлина и термичкото проширување.

Заклучок

Во овој чланец научивме за механичката еквивалентност на топлината,

која е количината на труд потребен за да се произведе единично количество топлина во систем. Исто така видевме како овој концепт беше откриен од Румфорд и Џоул преку експерименти со триенје и мешање на вода. На крај, обсудивме некои применувања и импликации на овој концепт во науката и инженерството.

Изјава: Поштувајте оригиналот, добри чланици заслужуваат да се споделат, ако постои нарушение на авторските права