Bagaimana Kerja Mekanikal dan Habatan adalah Dapat Dipertukarkan

Dalam artikel ini, kita akan meneroka konsep setaraan mekanikal haba, yang menyatakan bahawa kerja mekanikal dan haba boleh ditukar antara satu sama lain. Kita juga akan mempelajari tentang eksperimen dan penemuan yang membawa kepada idea ini dan bagaimana ia membantu menubuhkan sains termodinamik.

Apa itu Setaraan Mekanikal Haba?

Setaraan mekanikal haba adalah istilah yang menggambarkan hubungan antara kerja mekanikal dan haba.

Ia didefinisikan sebagai jumlah kerja yang diperlukan untuk menghasilkan sejumlah unit haba dalam sistem. Simbol untuk setaraan mekanikal haba adalah J, dan ia juga dikenali sebagai pemalar Joule atau setaraan mekanikal haba Joule selepas saintis yang pertama kali mengukurnya.

Formula untuk setaraan mekanikal haba adalah:

di mana W adalah kerja yang dilakukan pada sistem, dan Q adalah haba yang dihasilkan dalam sistem.

Unit untuk setaraan mekanikal haba adalah joule per kalori (J/cal), yang bermaksud satu joule kerja menghasilkan satu kalori haba. Satu kalori adalah jumlah haba yang diperlukan untuk meningkatkan suhu satu gram air sebanyak satu darjah Celsius.

Bagaimana Setaraan Mekanikal Haba Ditemui?

Idea bahawa kerja mekanikal dan haba boleh ditukar telah dicadangkan oleh Benjamin Thompson, juga dikenal sebagai Count Rumford, pada tahun 1798. Dia memerhati bahawa sejumlah besar haba dihasilkan oleh geseran semasa pemboran laras meriam di sebuah arsenal di Munich. Dia menyimpulkan bahawa haba bukanlah zat, seperti yang dipercayai sebelumnya, tetapi bentuk gerakan.

Namun, Rumford tidak memberikan nilai numerik untuk setaraan mekanikal haba, dan dia juga tidak melakukan eksperimen terkawal untuk mengukurnya. Pemerhatiannya ditentang oleh penyokong teori kalorik, yang berpendapat bahawa haba adalah cecair yang mengalir dari badan panas ke badan sejuk.

Orang pertama yang melakukan eksperimen tepat untuk menentukan setaraan mekanikal haba adalah James Prescott Joule, seorang ahli fizik Inggeris dan pengeluar bir. Pada tahun 1845, dia menerbitkan kertas bertajuk “Setaraan Mekanikal Haba,” di mana dia menerangkan alat dan kaedahnya.

Joule menggunakan kalorimeter tembaga yang diisi dengan air dan mekanisme roda dayung yang disambungkan dengan beban jatuh.

Apabila beban jatuh, mereka memutar roda dayung, yang mengacau air di dalam kalorimeter. Tenaga kinetik beban dan roda dayung diubah menjadi tenaga haba dalam air. Joule mengukur peningkatan suhu air dan mengira jumlah kerja yang dilakukan oleh beban. Dia mengulangi eksperimen ini beberapa kali dengan beban dan ketinggian yang berbeza dan mendapatkan nilai konsisten untuk J: 778.24 foot-pound-force per darjah Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Eksperimen Joule membuktikan bahawa kerja dan haba adalah setara dan terpelihara,

yang bermaksud mereka tidak dapat dicipta atau dimusnahkan tetapi hanya ditukar dari satu bentuk ke bentuk lain. Ini adalah terobosan besar dalam perkembangan termodinamik, yang merupakan kajian tenaga dan transformasinya.

Apa Saja Aplikasi Setaraan Mekanikal Haba?

Konsep setaraan mekanikal haba mempunyai banyak aplikasi dalam sains dan kejuruteraan. Sebagai contoh:

• Ia menjelaskan bagaimana enjin bekerja dengan menukar tenaga kimia dalam bahan api menjadi tenaga mekanikal dalam gerakan.

• Ia membantu kita mengira kecekapan mesin dan proses dengan membandingkan kerja input dan haba output.

• Ia membolehkan kita merancang peranti yang boleh menukar haba sisa menjadi kerja yang berguna, seperti penjana termoelektrik.

• Ia membolehkan kita memahami bagaimana organisma hidup menggunakan tenaga metabolik untuk melakukan pelbagai fungsi.

Setaraan mekanikal haba juga berkaitan dengan konsep penting lain dalam termodinamik, seperti entropi, kapasiti haba spesifik, haba laten, dan ekspansi termal.

Kesimpulan

Dalam artikel ini, kita telah mempelajari tentang setaraan mekanikal haba,

yang merupakan jumlah kerja yang diperlukan untuk menghasilkan sejumlah unit haba dalam sistem. Kita juga telah melihat bagaimana konsep ini ditemui oleh Rumford dan Joule melalui eksperimen pada geseran dan pencampuran air. Akhirnya, kita telah membincangkan beberapa aplikasi dan implikasi konsep ini dalam sains dan kejuruteraan.

Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik patut dikongsi, jika terdapat pelanggaran silakan hubungi untuk dihapus.