Hvordan mekanisk arbeid og varme er byttbare

I denne artikkelen vil vi utforske konseptet om mekanisk ekvivalent for varme, som sier at mekanisk arbeid og varme kan konverteres til hverandre. Vi skal også lære om eksperimenter og oppdagelser som førte til dette ideen, og hvordan det bidro til å etablere termodynamikken.

Hva er det mekaniske ekvivalente for varme?

Det mekaniske ekvivalente for varme er et begrep som beskriver forholdet mellom mekanisk arbeid og varme.

Det defineres som mengden arbeid som kreves for å produsere en enhetsmengde varme i et system. Symbolet for det mekaniske ekvivalente for varme er J, og det er også kjent som Joules konstant eller Joules mekaniske ekvivalent for varme etter forskeren som først målte det.

Formelen for det mekaniske ekvivalente for varme er:

der W er arbeidet utført på et system, og Q er varmen generert i systemet.

Enheten for det mekaniske ekvivalente for varme er joule per kalori (J/cal), som betyr at en joule arbeid produserer en kalori varme. En kalori er mengden varme som trengs for å øke temperaturen på en gram vann med ett grader Celsius.

Hvordan ble det mekaniske ekvivalente for varme oppdaget?

Tanken om at mekanisk arbeid og varme er byttbare ble først foreslått av Benjamin Thompson, også kjent som Count Rumford, i 1798. Han observerte at en stor mengde varme ble generert ved friksjon når kanonrør ble boret i en arsenal i München. Han konkluderte med at varme ikke var en stoff, som tidligere antatt, men en form for bevegelse.

Rumford ga imidlertid ikke noen numerisk verdi for det mekaniske ekvivalente for varme, heller ikke gjennomførte han et kontrollert eksperiment for å måle det. Hans observasjoner ble utfordret av støtterne til kaloriteorien, som hevdet at varme var en væske som flytete fra varme til kolde legemer.

Den første personen som gjennomførte et nøyaktig eksperiment for å bestemme det mekaniske ekvivalente for varme, var James Prescott Joule, en engelsk fysiker og brygger. I 1845 publiserte han en artikkel tittelt "The Mechanical Equivalent of Heat", der han beskrev sitt apparat og metode.

Joule brukte en kobber kalorimeter fylt med vann og et paddel-hjul-mekanisme festet til fallende vekter.

Når vektene falt, dreide de paddel-hjulet, som rørte vannet inne i kalorimetern. Kinetisk energi fra vektene og paddel-hjulet ble konvertert til varmeenergi i vannet. Joule målte temperaturstigningen i vannet og beregnede mengden arbeid utført av vektene. Han gjentok dette eksperimentet flere ganger med ulike vekter og høyder, og fant en konsistent verdi for J: 778.24 fot-pund-styrke per grad Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Joules eksperiment beviste at arbeid og varme var ekvivalente og bevarte,

som betyr at de ikke kunne skapes eller ødelegges, bare transformert fra en form til en annen. Dette var en stor gjennombrudd i utviklingen av termodynamikken, som er studiet av energi og dens transformeringer.

Hva er noen anvendelser av det mekaniske ekvivalente for varme?

Konseptet om det mekaniske ekvivalente for varme har mange anvendelser i vitenskap og teknikk. For eksempel:

• Det forklarer hvordan motorer fungerer ved å konvertere kjemisk energi i drivstoff til mekanisk energi i bevegelse.

• Det hjelper oss med å beregne effektiviteten av maskiner og prosesser ved å sammenligne inngangarbeidet og utgangsvarmen.

• Det lar oss designe enheter som kan konvertere spilte varme til nyttig arbeid, som termoelektriske generatorer.

• Det lar oss forstå hvordan levende organismer bruker metabolisk energi til å utføre ulike funksjoner.

Det mekaniske ekvivalente for varme er også relatert til andre viktige konsepter i termodynamikken, som entropi, spesifikk varmekapasitet, latent varme og termisk utvidelse.

Konklusjon

I denne artikkelen har vi lært om det mekaniske ekvivalente for varme,

som er mengden arbeid som kreves for å produsere en enhetsmengde varme i et system. Vi har også sett hvordan dette konseptet ble oppdaget av Rumford og Joule gjennom eksperimenter med friksjon og røring av vann. Til slutt har vi diskutert noen anvendelser og implikasjoner av dette konseptet i vitenskap og teknikk.

Erklæring: Respekt for original, god artikler verdt å dele, hvis det er kränking kontakt slett.