Як механічна робота та тепло взаємозамінні

У цій статті ми розглянемо концепцію механічного еквіваленту тепла, яка стверджує, що механічна робота і тепло можуть перетворюватися одне в інше. Ми також дізнаємось про експерименти та відкриття, які призвели до цієї ідеї, і як це допомогло створити науку термодинаміки.

Що таке механічний еквівалент тепла?

Механічний еквівалент тепла — це термін, який описує зв'язок між механічною роботою і теплом.

Це визначається як кількість роботи, необхідної для вироблення одиничної кількості тепла в системі. Символом для механічного еквіваленту тепла є J, і його також називають сталою Джоуля або механічним еквівалентом тепла Джоуля, на честь вченого, який вперше його виміряв.

Формула для механічного еквіваленту тепла:

де W — робота, виконана над системою, а Q — тепло, вироблене в системі.

Одиниця для механічного еквіваленту тепла — джоуль на калорію (J/cal), що означає, що одна джоуль роботи виробляє одну калорію тепла. Одна калорія — це кількість тепла, необхідна для підвищення температури одного грама води на один градус Цельсія.

Як був виявлений механічний еквівалент тепла?

Ідею, що механічна робота і тепло взаємозамінні, вперше запропонував Бенджамін Томпсон, відомий також як граф Румфорд, у 1798 році. Він спостерігав, що велика кількість тепла виробляється через тертя при свердлінні гарматних стволів на арсеналі в Мюнхені. Він висновав, що тепло не є речовиною, як раніше вважали, а формою руху.

Проте, Румфорд не надав числового значення для механічного еквіваленту тепла, ні проведено контролованого експерименту для його вимірювання. Його спостереження були заперечені підтримниками теорії калорії, яка стверджувала, що тепло — це рідина, яка потікає від гарячих до холодних тіл.

Першим, хто провів точний експеримент для визначення механічного еквіваленту тепла, був Джеймс Прескотт Джоуль, англійський фізик і пивовар. У 1845 році він опублікував статтю під назвою «Механічний еквівалент тепла», в якій описав свій пристрій та метод.

Джоуль використовував медний калоріметр, наповнений водою, і механізм з лопаткою, прикріплений до опадаючих важків.

Коли важки опускалися, вони обертали лопатку, яка перемішувала воду всередині калоріметра. Кінетична енергія важків і лопатки перетворювалась на теплову енергію в воді. Джоуль виміряв підвищення температури води і обчислив кількість виконаної роботи важками. Він повторив цей експеримент кілька разів з різними важками і висотами, і знайшов постійне значення для J: 778.24 фут-фунт-сила на градус Фаренгейта (4.1550 J/cal).

Експеримент Джоуля довів, що робота і тепло є еквівалентними і збереженими,

що означає, що вони не могли бути створені або знищені, а лише перетворені з однієї форми в іншу. Це було важливим проривом у розвитку термодинаміки, яка є вивченням енергії та її перетворень.

Які є застосування механічного еквіваленту тепла?

Концепція механічного еквіваленту тепла має багато застосувань в науці та інженерії. Наприклад:

• Вона пояснює, як працюють двигуни, перетворюючи хімічну енергію палива на механічну енергію руху.

• Вона допомагає нам обчислити ефективність машин і процесів, порівнюючи вхідну роботу і вихідне тепло.

• Вона дозволяє нам проектувати пристрої, які можуть перетворювати відходне тепло на корисну роботу, такі як термоелектричні генератори.

• Вона дозволяє нам зрозуміти, як живі організми використовують метаболічну енергію для виконання різних функцій.

Механічний еквівалент тепла також пов'язаний з іншими важливими концепціями в термодинаміці, такими як ентропія, питома теплота, скрите тепло та теплове розширення.

Висновок

У цій статті ми дізналися про механічний еквівалент тепла,

який є кількістю роботи, необхідною для вироблення одиничної кількості тепла в системі. Ми також побачили, як ця концепція була виявлена Румфордом та Джоулем через експерименти з тертям і перемішуванням води. Нарешті, ми обговорили деякі застосування та наслідки цієї концепції в науці та інженерії.

Заява: Поважайте оригінал, добре написані статті варті поширення, якщо є порушення авторських