Как механическая работа и тепло взаимозаменяемы
В этой статье мы рассмотрим концепцию механического эквивалента тепла, которая утверждает, что механическая работа и тепло могут быть преобразованы друг в друга. Мы также узнаем о экспериментах и открытиях, которые привели к этой идее, и о том, как это помогло установить науку термодинамики.
Что такое механический эквивалент тепла?
Механический эквивалент тепла — это термин, который описывает взаимосвязь между механической работой и теплом.
Он определяется как количество работы, необходимое для создания единицы тепла в системе. Символом для механического эквивалента тепла является J, и он также известен как постоянная Джоуля или механический эквивалент тепла Джоуля, названный в честь ученого, который первым его измерил.
Формула для механического эквивалента тепла следующая:
где W — работа, выполненная над системой, а Q — тепло, выработанное в системе.
Единица измерения для механического эквивалента тепла — джоуль на калорию (Дж/кал), что означает, что один джоуль работы производит одну калорию тепла. Одна калория — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия.
Как был обнаружен механический эквивалент тепла?
Идея о том, что механическая работа и тепло взаимозаменяемы, была впервые предложена Бенджамином Томпсоном, также известным как граф Румфорд, в 1798 году. Он наблюдал, что большое количество тепла генерируется трением при сверлении пушечных стволов на арсенале в Мюнхене. Он заключил, что тепло не является веществом, как считалось ранее, а представляет собой форму движения.
Однако Румфорд не предоставил числового значения для механического эквивалента тепла, и он не провел контролируемый эксперимент для его измерения. Его наблюдения были оспорены сторонниками теории калорики, которая утверждала, что тепло — это жидкость, которая течет от горячих тел к холодным.
Первым человеком, который провел точный эксперимент для определения механического эквивалента тепла, был Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик и пивовар. В 1845 году он опубликовал статью под названием «Механический эквивалент тепла», в которой описал свой аппарат и метод.
Джоуль использовал медный калориметр, заполненный водой, и механизм с лопастями, прикрепленный к падающим грузам.
Когда грузы падали, они приводили в движение лопасти, которые перемешивали воду внутри калориметра. Кинетическая энергия грузов и лопастей преобразовывалась в тепловую энергию воды. Джоуль измерил повышение температуры воды и рассчитал количество выполненной работы. Он повторил этот эксперимент несколько раз с различными грузами и высотами и нашел последовательное значение для J: 778.24 фут-фунт-сила на градус Фаренгейта (4.1550 Дж/кал).
Эксперимент Джоуля доказал, что работа и тепло эквивалентны и сохраняются,
что означает, что они не могут быть созданы или уничтожены, но только преобразованы из одной формы в другую. Это было большим прорывом в развитии термодинамики, которая изучает энергию и ее преобразования.
Какие есть применения механического эквивалента тепла?
Концепция механического эквивалента тепла имеет множество применений в науке и инженерии. Например:
Она объясняет, как двигатели работают, преобразуя химическую энергию топлива в механическую энергию движения.
Она помогает нам рассчитывать эффективность машин и процессов, сравнивая входную работу и выходное тепло.
Она позволяет нам проектировать устройства, которые могут преобразовать отходящее тепло в полезную работу, такие кактермоэлектрические генераторы.
Она позволяет нам понять, как живые организмы используют метаболическую энергию для выполнения различных функций.
Механический эквивалент тепла также связан с другими важными концепциями в термодинамике, такими как энтропия, удельная теплоемкость, скрытая теплота и тепловое расширение.
Заключение
В этой статье мы узнали о механическом эквиваленте тепла,
который представляет собой количество работы, необходимое для создания единицы тепла в системе. Мы также увидели, как эта концепция была открыта Румфордом и Джоулем через эксперименты по трению и перемешиванию воды. Наконец, мы обсудили некоторые применения и импликации этой концепции в науке и инженерии.
Заявление: Уважайте оригинальные статьи, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.
