การทำงานเชิงกลและความร้อนสามารถแลกเปลี่ยนได้

ในบทความนี้ เราจะสำรวจแนวคิดเรื่องความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อน ซึ่งระบุว่างานกลและพลังงานความร้อนสามารถแปลงเป็นกันได้ เราจะยังได้เรียนรู้เกี่ยวกับการทดลองและการค้นพบที่นำไปสู่แนวคิดนี้ และวิธีที่มันช่วยในการสร้างวิทยาศาสตร์ของเทอร์โมไดนามิกส์

ความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนคืออะไร?

ความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนเป็นคำศัพท์ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างงานกลและพลังงานความร้อน

มันถูกกำหนดให้เป็นปริมาณงานที่ต้องใช้เพื่อผลิตความร้อนหนึ่งหน่วยในระบบ สัญลักษณ์ของความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนคือ J และยังเป็นที่รู้จักในชื่อค่าคงที่ของโจลหรือค่าเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนของโจลตามนักวิทยาศาสตร์ที่วัดค่านี้เป็นคนแรก

สูตรสำหรับความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนคือ:

โดยที่ W คืองานที่ทำบนระบบ และ Q คือความร้อนที่เกิดขึ้นในระบบ

หน่วยของความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนคือจูลต่อแคลอรี่ (J/cal) ซึ่งหมายความว่างานหนึ่งจูลจะผลิตความร้อนหนึ่งแคลอรี่ หนึ่งแคลอรี่คือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำหนึ่งกรัมขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียส

ความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนถูกค้นพบอย่างไร?

แนวคิดที่ว่างานกลและพลังงานความร้อนสามารถแลกเปลี่ยนกันได้ถูกเสนอขึ้นโดยเบนจามิน ทอมป์สัน หรือเคานต์ รัมฟอร์ด ในปี 1798 เขาสังเกตเห็นว่ามีความร้อนจำนวนมากที่เกิดจากการเสียดสีขณะเจาะกระบอกปืนใหญ่ที่อาร์เซนอลในมิวนิก เขาสรุปว่าความร้อนไม่ใช่สาร แต่เป็นรูปแบบของการเคลื่อนไหว

อย่างไรก็ตาม รัมฟอร์ดไม่ได้ให้ค่าตัวเลขสำหรับความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อน หรือทำการทดลองควบคุมเพื่อวัดมัน ความสังเกตของเขาถูกท้าทายโดยผู้สนับสนุนทฤษฎีคาโลริก ซึ่งเชื่อว่าความร้อนเป็นของเหลวที่ไหลจากวัตถุที่ร้อนไปยังวัตถุที่เย็น

บุคคลแรกที่ทำการทดลองอย่างแม่นยำเพื่อกำหนดความเท่าเทียมกันทางกลของความร้อนคือเจมส์ เพรสคอต โจล นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและผู้ผลิตเบียร์ ในปี 1845 เขาเผยแพร่ผลงานเรื่อง “The Mechanical Equivalent of Heat” โดยบรรยายถึงอุปกรณ์และวิธีการของเขา

โจลใช้เครื่องวัดความร้อนทองแดงที่เต็มไปด้วยน้ำและกลไกพัดลมที่ติดกับน้ำหนักที่ตก

เมื่อน้ำหนักตก มันจะหมุนพัดลม ซึ่งจะ揽收助手