Hur mekaniskt arbete och värme är växelbara

I detta artikel kommer vi att utforska begreppet om det mekaniska ekvivalentet av värme, vilket säger att mekaniskt arbete och värme kan omvandlas till varandra. Vi kommer också att lära oss om experimenten och upptäckterna som ledde till detta idé och hur det hjälpte till att etablera termodynamiken.

Vad är det mekaniska ekvivalentet av värme?

Det mekaniska ekvivalentet av värme är en term som beskriver förhållandet mellan mekaniskt arbete och värme.

Det definieras som mängden arbete som krävs för att producera en enhetsmängd värme i ett system. Symbolen för det mekaniska ekvivalentet av värme är J, och det kallas också Joules konstant eller Joules mekaniska ekvivalent av värme efter den forskare som först mätte det.

Formeln för det mekaniska ekvivalentet av värme är:

där W är arbetet som utförs på ett system, och Q är den genererade värmen i systemet.

Enheten för det mekaniska ekvivalentet av värme är joule per kalori (J/cal), vilket betyder att en joule av arbete producerar en kalori av värme. En kalori är mängden värme som behövs för att höja temperaturen på en gram vatten med en grad Celsius.

Hur upptäcktes det mekaniska ekvivalentet av värme?

Idén att mekaniskt arbete och värme är utbytbara föreslogs först av Benjamin Thompson, även känd som greve Rumford, 1798. Han observerade att en stor mängd värme genererades genom friktion när kanonrör borrades vid en arsenal i München. Han drog slutsatsen att värme inte var en substans, som tidigare trott, utan en form av rörelse.

Rumford gav dock inte något numeriskt värde för det mekaniska ekvivalentet av värme, och han genomförde heller ingen kontrollerad experiment för att mäta det. Hans observationer utmanades av anhängarna av kaloriteorin, som hävdade att värme var en flytande substans som flödade från varma till kalla kroppar.

Den första personen som genomförde ett precist experiment för att fastställa det mekaniska ekvivalentet av värme var James Prescott Joule, en engelsk fysiker och bryggeriägare. 1845 publicerade han en artikel med titeln "Det mekaniska ekvivalentet av värme", där han beskrev sitt apparatur och metod.

Joule använde en kopparkalorimeter fylld med vatten och en paddel-mekanism kopplad till fallande vikter.

När vikterna föll, snurrade de paddeln, vilket rörde vattnet i kalorimetern. Kinetiska energin från vikterna och paddeln omvandlades till värmeenergi i vattnet. Joule mätte temperaturhöjningen av vattnet och beräknade mängden arbete som utförts av vikterna. Han upprepade detta experiment flera gånger med olika vikter och höjder och fann ett konsekvent värde för J: 778.24 fot-pound-force per grad Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Joules experiment bevisade att arbete och värme var ekvivalenta och bevarade,

vilket innebär att de inte kunde skapas eller förstöras, men bara omvandlas från en form till en annan. Detta var en stor genombrott i utvecklingen av termodynamiken, som är studien av energi och dess omvandlingar.

Vilka är några tillämpningar av det mekaniska ekvivalentet av värme?

Begreppet om det mekaniska ekvivalentet av värme har många tillämpningar inom vetenskap och teknik. Till exempel:

• Det förklarar hur motorer fungerar genom att omvandla kemisk energi i bränsle till mekanisk energi i rörelse.

• Det hjälper oss att beräkna effektiviteten hos maskiner och processer genom att jämföra inmatningsarbete och utmatningsvärme.

• Det låter oss designa enheter som kan omvandla restvärme till användbart arbete, såsom termoelektriska generatorer.

• Det gör att vi kan förstå hur levande organismer använder metabol energi för att utföra olika funktioner.

Det mekaniska ekvivalentet av värme är också relaterat till andra viktiga begrepp inom termodynamiken, såsom entropi, specifik värmekapacitet, latent värme och termisk expansion.

Slutsats

I denna artikel har vi lärt oss om det mekaniska ekvivalentet av värme,

vilket är mängden arbete som krävs för att producera en enhetsmängd värme i ett system. Vi har också sett hur detta begrepp upptäcktes av Rumford och Joule genom experiment på friktion och rörande av vatten. Slutligen har vi diskuterat några tillämpningar och implikationer av detta begrepp inom vetenskap och teknik.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värt att dela, om det finns upphovsrättsskydd vänligen kontakta och ta bort.