Jak praca mechaniczna i ciepło są wymienne
W tym artykule przeanalizujemy koncepcję mechanicznego odpowiednika ciepła, która mówi, że praca mechaniczna i ciepło mogą być wzajemnie przekształcane. Dowiemy się również o doświadczeniach i odkryciach, które doprowadziły do tej idei, oraz jak to pomogło w ustanowieniu nauki termodynamiki.
Czym jest mechaniczny odpowiednik ciepła?
Mechaniczny odpowiednik ciepła to termin opisujący relację między pracą mechaniczną a ciepłem.
Definiuje się go jako ilość pracy potrzebnej do wytworzenia jednostkowej ilości ciepła w systemie. Symbolem dla mechanicznego odpowiednika ciepła jest J, znany również jako stała Joulego lub mechaniczny odpowiednik ciepła Joulego, na cześć naukowca, który pierwszy go zmierzył.
Wzór na mechaniczny odpowiednik ciepła to:
gdzie W to praca wykonana na system, a Q to ciepło wygenerowane w systemie.
Jednostką dla mechanicznego odpowiednika ciepła jest dżul na kalorie (J/cal), co oznacza, że jedna dżul pracy produkuje jedną kalorię ciepła. Jedna kaloria to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednego grama wody o jeden stopień Celsjusza.
Jak został odkryty mechaniczny odpowiednik ciepła?
Pomysł, że praca mechaniczna i ciepło są wymienne, po raz pierwszy zaproponował Benjamin Thompson, znany również jako hrabia Rumford, w 1798 roku. Zobaczył, że duża ilość ciepła powstaje przez tarcie podczas wiercenia luf armat w arsenałach w Monachium. Stwierdził, że ciepło nie jest substancją, jak dotychczas sądzono, ale formą ruchu.
Jednak Rumford nie podał liczbowej wartości dla mechanicznego odpowiednika ciepła, ani nie przeprowadził kontrolowanego eksperymentu, aby go zmierzyć. Jego obserwacje były kwestionowane przez zwolenników teorii kalorycznej, która twierdziła, że ciepło to płyn, który przepływa od ciepłych do zimnych ciał.
Pierwszą osobą, która przeprowadziła precyzyjny eksperyment, aby określić mechaniczny odpowiednik ciepła, był James Prescott Joule, angielski fizyk i browarnik. W 1845 roku opublikował artykuł zatytułowany „Mechaniczny odpowiednik ciepła”, w którym opisał swoje urządzenie i metodę.
Joule użył miedzianego kalorymetru wypełnionego wodą i mechanizmu z łopatkami przyłączonym do spadających ciężarów.
Gdy ciężary spadały, obracały one łopatki, mieszając wodę wewnątrz kalorymetru. Energia kinetyczna ciężarów i łopatek była przekształcana w energię cieplną w wodzie. Joule zmierzył wzrost temperatury wody i obliczył ilość wykonanej pracy. Powtórzył ten eksperyment kilka razy z różnymi ciężarami i wysokością, uzyskując spójną wartość dla J: 778.24 stopa-funt-siła na stopień Fahrenheita (4.1550 J/cal).
Eksperyment Joulego udowodnił, że praca i ciepło są równoważne i zachowywane,
co oznacza, że nie mogły być stworzone ani zniszczone, tylko przekształcone z jednej formy na drugą. To było istotne przełamanie w rozwoju termodynamiki, która jest nauką o energii i jej przekształceniach.
Jakie są niektóre zastosowania mechanicznego odpowiednika ciepła?
Koncepcja mechanicznego odpowiednika ciepła ma wiele zastosowań w nauce i inżynierii. Na przykład:
Wyjaśnia, jak działają silniki, przekształcając energię chemiczną paliwa w energię mechaniczną ruchu.
Pomaga nam obliczyć efektywność maszyn i procesów, porównując wejściową pracę i wyjściowe ciepło.
Pozwala nam projektować urządzenia, które mogą przekształcać odpadowe ciepło w przydatną pracę, takie jak termoelektryczne generatory.
Umożliwia nam zrozumienie, jak organizmy żywe używają metabolicznej energii do wykonywania różnych funkcji.
Mechaniczny odpowiednik ciepła jest również związany z innymi ważnymi koncepcjami w termodynamice, takimi jak entropia, pojemność cieplna właściwa, ciepło objętościowe i rozszerzanie termiczne.
Podsumowanie
W tym artykule dowiedzieliśmy się o mechanicznym odpowiedniku ciepła,
który to jest ilość pracy potrzebnej do wytworzenia jednostkowej ilości ciepła w systemie. Zobaczyliśmy również, jak ta koncepcja została odkryta przez Rumforda i Joulego poprzez doświadczenia z tarciem i mieszaniem wody. Na koniec omówiliśmy niektóre zastosowania i implikacje tej koncepcji w nauce i inżynierii.
Oświadczenie: Szacunek praw autorskich, dobre artykuły są warto udostępniać, jesli doszło do naruszenia prosimy o skontaktowanie się z celami usunięcia.
