Hoe mechanisch werk en warmte omwisselbaar zijn

In dit artikel zullen we het concept van de mechanische equivalent van warmte verkennen, dat stelt dat mechanisch werk en warmte in elkaar kunnen worden omgezet. We zullen ook leren over de experimenten en ontdekkingen die hebben geleid tot dit idee en hoe het heeft bijgedragen aan de oprichting van de thermodynamica.

Wat is de Mechanische Equivalent van Warmte?

De mechanische equivalent van warmte is een term die de relatie tussen mechanisch werk en warmte beschrijft.

Het wordt gedefinieerd als de hoeveelheid werk die nodig is om een eenheidswaarde aan warmte in een systeem te produceren. Het symbool voor de mechanische equivalent van warmte is J, en het staat ook bekend als Joules constante of Joules mechanische equivalent van warmte, genoemd naar de wetenschapper die het voor het eerst heeft gemeten.

De formule voor de mechanische equivalent van warmte is:

waarbij W het werk is dat op een systeem wordt verricht, en Q de in het systeem geproduceerde warmte is.

De eenheid voor de mechanische equivalent van warmte is joule per calorie (J/cal), wat betekent dat één joule werk één calorie warmte produceert. Een calorie is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van één gram water met één graad Celsius te verhogen.

Hoe is de Mechanische Equivalent van Warmte Ontdekt?

Het idee dat mechanisch werk en warmte wisselbaar zijn, werd voor het eerst geopperd door Benjamin Thompson, ook bekend als Count Rumford, in 1798. Hij observeerde dat er een grote hoeveelheid warmte werd geproduceerd door wrijving bij het boren van kanonnen in een arsenaal in München. Hij concludeerde dat warmte geen substantie was, zoals men eerder dacht, maar een vorm van beweging.

Rumford gaf echter geen numerieke waarde voor de mechanische equivalent van warmte, noch voerde hij een gecontroleerd experiment uit om het te meten. Zijn observaties werden bestreden door de voorstanders van de calorische theorie, die stelden dat warmte een vloeistof was die van warme naar koude lichamen stroomde.

De eerste persoon die een precies experiment uitvoerde om de mechanische equivalent van warmte te bepalen, was James Prescott Joule, een Engelse natuurkundige en brouwer. In 1845 publiceerde hij een artikel getiteld "The Mechanical Equivalent of Heat", waarin hij zijn apparatuur en methode beschreef.

Joule gebruikte een koperen kalorimeter gevuld met water en een peddelwielmechanisme verbonden met vallende gewichten.

Terwijl de gewichten vielen, draaiden ze het peddelwiel, waardoor het water in de kalorimeter werd gestoord. De kinetische energie van de gewichten en het peddelwiel werd omgezet in warmte-energie in het water. Joule mat de temperatuurstijging van het water en berekende de hoeveelheid werk dat door de gewichten werd verricht. Hij herhaalde dit experiment verschillende keren met verschillende gewichten en hoogten en vond een consistente waarde voor J: 778.24 voet-pound-force per graad Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Joules experiment bewees dat werk en warmte equivalent en behouden waren,

wat betekent dat ze niet konden worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen van de ene vorm naar de andere omgezet. Dit was een belangrijke doorbraak in de ontwikkeling van de thermodynamica, die het studieveld is van energie en haar transformaties.

Welke Toepassingen Heeft de Mechanische Equivalent van Warmte?

Het concept van de mechanische equivalent van warmte heeft veel toepassingen in wetenschap en techniek. Bijvoorbeeld:

• Het legt uit hoe motoren werken door chemische energie in brandstof om te zetten in mechanische energie in beweging.

• Het helpt ons de efficiëntie van machines en processen te berekenen door het ingevoerde werk en de uitvoerwarmte te vergelijken.

• Het stelt ons in staat apparaten te ontwerpen die restwarmte kunnen omzetten in bruikbaar werk, zoals thermoelektrische generatoren.

• Het stelt ons in staat te begrijpen hoe levende organismen metabolische energie gebruiken om verschillende functies uit te voeren.

De mechanische equivalent van warmte is ook gerelateerd aan andere belangrijke concepten in de thermodynamica, zoals entropie, specifieke warmtecapaciteit, latentewarmte en thermische uitzetting.

Conclusie

In dit artikel hebben we geleerd over de mechanische equivalent van warmte,

wat de hoeveelheid werk is die nodig is om een eenheidswaarde aan warmte in een systeem te produceren. We hebben ook gezien hoe dit concept is ontdekt door Rumford en Joule door experimenten met wrijving en roeren van water. Tot slot hebben we enkele toepassingen en implicaties van dit concept in wetenschap en techniek besproken.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, indien er een inbreuk is gelieve contact op te nemen om te verwijderen.