Kako su mehanički rad i toplota međusobno zamjenjivi
U ovom članku istražiti ćemo koncept mehaničkog ekvivalenta toplote, koji tvrdi da se mehanički rad i toplota mogu pretvoriti jedno u drugo. Takođe ćemo naučiti o eksperimentima i otkrićima koji su doveli do ove ideje i kako je to pomoćilo u uspostavljanju nauke termodynamike.
Šta je mehanički ekvivalent toplote?
Mehanički ekvivalent toplote je termin koji opisuje odnos između mehaničkog rada i toplote.
Definiše se kao količina rada potrebna za proizvodnju jedinice toplote u sistemu. Simbol za mehanički ekvivalent toplote je J, i poznat je i kao Jouleova konstanta ili Jouleov mehanički ekvivalent toplote, po znanstveniku koji je prvi merio.
Formula za mehanički ekvivalent toplote je:
gde je W rad izvršen na sistemu, a Q toplota generisana u sistemu.
Jedinica za mehanički ekvivalent toplote je džul po kaloriji (J/kal), što znači da jedan džul rada proizvodi jednu kaloriju toplote. Jedna kalorija je količina toplote potrebna da se temperatura jednog grama vode podigne za jedan stepen Celzijusa.
Kako je otkriven mehanički ekvivalent toplote?
Ideja da su mehanički rad i toplota međusobno zamjenljivi bila je prvi put predložena od strane Benjamina Thompsona, takođe poznatog kao grof Rumford, 1798. godine. Primetio je da je velika količina toplote generisana trenjem pri bušenju topova u arsenalu u Munchenu. Zaključio je da toplota nije supstancija, kao što se pretpostavljalo, već oblik pokreta.
Međutim, Rumford nije dao numeričku vrednost za mehanički ekvivalent toplote, niti je sprovodio kontrolisan eksperiment da bi ga izmerio. Njegove promatrajne su bile izazovene zagovornicima teorije kaloričnosti, koja tvrdi da je toplota fluid koji teče od tople ka hladnim tijelima.
Prvi čovek koji je sprovodio precizan eksperiment da bi odredio mehanički ekvivalent toplote bio je Džejms Preskot Džul, engleski fizičar i pivara. 1845. godine objavio je rad pod naslovom "Mehanički ekvivalent toplote", u kome je opisao svoj aparat i metod.
Džul je koristio bakreni kalorimetar napunjen vodom i mehanizam sa palecima vezanim za padajuće tegove.
Kako su tegovi padali, okretali su palece, koji su miješali vodu unutar kalorimetra. Kinetička energija tegova i paleca pretvorena je u toplotnu energiju u vodi. Džul je merio porast temperature vode i izračunao količinu rada izvršenog tegovima. Ponovio je ovaj eksperiment nekoliko puta sa različitim tegovima i visinama i pronašao konzistentnu vrednost za J: 778.24 stopa-funt-sila po stepenu Farenheita (4.1550 J/kal).
Eksperiment Džula dokazao je da su rad i toplota ekvivalentni i sačuvani,
što znači da se ne mogu stvoriti ni uništiti, već samo transformisati iz jedne forme u drugu. To je bio veliki skok unaprijed u razvoju termodynamike, koja je studija energije i njenih transformacija.
Koji su neki primeni mehaničkog ekvivalenta toplote?
Koncept mehaničkog ekvivalenta toplote ima mnoge primene u nauki i inženjerstvu. Na primer:
Objašnjava kako motori rade pretvarajući hemijsku energiju goriva u mehaničku energiju u pokretu.
Pomaže nam u izračunavanju efikasnosti mašina i procesa upoređivanjem ulaznog rada i izlazne toplote.
Omogućava nam dizajn uređaja koji mogu pretvoriti otpadnu toplotu u korisni rad, poput termoelektričnih generatora.
Omogućava nam da razumemo kako živa bića koriste metabolnu energiju za izvršavanje različitih funkcija.
Mehanički ekvivalent toplote je takođe povezan s drugim važnim konceptima u termodynamici, kao što su entropija, specifična toplotna kapacitet, latentna toplota i toplotna ekspanzija.
Zaključak
U ovom članku smo naučili o mehaničkom ekvivalentu toplote,
koji predstavlja količinu rada potrebnu za proizvodnju jedinice toplote u sistemu. Takođe smo videli kako je ovaj koncept otkriven od strane Rumforda i Džula kroz eksperimente sa trenjem i miješanjem vode. Na kraju, raspravili smo o nekim primenama i implikacijama ovog koncepta u nauci i inženjerstvu.
Izjava: Poštujte original, dobre članke vredi deliti, ukoliko postoji kršenje autorskih prava molimo da kontaktirate za brisanje.
