Kako sta mehanski del in toplota medsebojno zamenljiva

V tem članku bomo raziskovali koncept mehanske ekvivalente toplote, ki pravi, da se mehanski del in toplota lahko pretvorita druga v drugo. Tudi se bomo naučili o poskusi in odkritjih, ki so pripeljali do tega ideje, in kako je to pomagalo ustanoviti znanost termodinamike.

Kaj je mehanska ekvivalenca toplote?

Mehanska ekvivalenca toplote je izraz, ki opisuje odnos med mehanskim delom in toploto.

Ta je definirana kot količina dela, potrebna za ustvarjanje enote toplote v sistemu. Simbol za mehansko ekvivalenco toplote je J, in je tudi znana kot Jouleova konstanta ali Jouleova mehanska ekvivalenca toplote po znanstveniku, ki jo je prvi zmjeril.

Formula za mehansko ekvivalenca toplote je:

kjer je W delo, opravljeno na sistemu, in Q toplota, generirana v sistemu.

Enota za mehansko ekvivalenca toplote je džul na kalorijo (J/cal), kar pomeni, da en džul dela ustvari eno kalorijo toplote. Ena kalorija je količina toplote, potrebna za dvig temperature enega grama vode za en stopinjo Celzija.

Kako je bila odkrita mehanska ekvivalenca toplote?

Ideja, da sta mehanski del in toplota medsebojno menjljiva, je prvi predlagal Benjamin Thompson, tudi znani kot grof Rumford, leta 1798. Opazil je, da je velika količina toplote nastala zaradi trenja pri vrtežnju topovnih cevov v arzenalu v Münchnu. Zaključil je, da toplota ni snov, kot je bilo prej domnevano, ampak oblika gibanja.

Rumford pa ni podal numerične vrednosti za mehansko ekvivalenco toplote, niti ni izvedel kontrolianega poskusa za njeno merjenje. Njegove opazke so izzvali zagovorniki teorije kalorice, ki trdijo, da je toplota tekočina, ki teče od toplejših do hladnejših teles.

Prva oseba, ki je izvedla natančen poskus za določitev mehanske ekvivalence toplote, je bil angleški fizik in pivovar James Prescott Joule. Leta 1845 je objavil članek z naslovom "Mehanska ekvivalenca toplote", v katerem je opisal svoj aparat in metodo.

Joule je uporabil bakren calorimeter, napolnjen s vodo, in mehanizem z vrtincem, pripetim na padajoče teže.

Ko so teže padale, so vrtinec vrtile vodo znotraj calorimetra. Kinetična energija tež in vrtince je bila pretvorena v toplotno energijo vode. Joule je izmeril dvig temperature vode in izračunal količino dela, opravljena s težami. Poskus je ponovil večkrat z različnimi težami in višinami in našel konzistentno vrednost za J: 778.24 stopinj Farenheita na nogometni stopinji (4.1550 J/cal).

Jouleov poskus je dokazal, da sta delo in toplota enakovredni in ohranjeni,

kar pomeni, da jih ni mogoče ustvariti ali uničiti, ampak le pretvoriti iz ene oblike v drugo. To je bil velik napredek v razvoju termodinamike, ki je študij energije in njenih transformacij.

Kateri so nekateri uporabni primeri mehanske ekvivalence toplote?

Koncept mehanske ekvivalence toplote ima mnogo uporab v znanosti in inženirstvu. Na primer:

• Razloži, kako delujejo motorji, tako da pretvarjajo kemijsko energijo v gorivu v mehansko energijo v gibanju.

• Nam pomaga izračunati učinkovitost strojev in procesov z primerjavo vhodnega dela in izhodne toplote.

• Omogoča nam, da oblikujemo naprave, ki lahko pretvarjajo odpadno toploto v uporabno delo, kot so termoelektrični generatorji.

• Nam omogoča, da razumemo, kako žive organizme uporabljajo metabolno energijo za izvajanje različnih funkcij.

Mehanska ekvivalenca toplote je tudi povezana z drugimi pomembnimi koncepti v termodinamiki, kot so entropija, specifična toplotna kapaciteta, latentna toplota in termično razširjanje.

Zaključek

V tem članku smo se naučili o mehanski ekvivalenci toplote,

ki je količina dela, potrebna za ustvarjanje enote toplote v sistemu. Sledimo tudi, kako ta koncept odkrili Rumford in Joule skozi poskuse s trenjem in mešanjem vode. Končno smo razpravili o nekaterih uporabah in posledicah tega koncepta v znanosti in inženirstvu.

Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredni deljenja, če je kršenje avtorskih pravic prosim kontaktirajte z zahtevo za brisanje.