Cách Cơ Học và Nhiệt có thể Đổi Chuyển cho Nhau

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá khái niệm về tương đương cơ học của nhiệt, theo đó công cơ và nhiệt có thể chuyển đổi thành nhau. Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu về các thí nghiệm và phát hiện đã dẫn đến ý tưởng này và cách nó đã giúp thiết lập khoa học nhiệt động lực học.

Tương đương cơ học của nhiệt là gì?

Tương đương cơ học của nhiệt là thuật ngữ mô tả mối quan hệ giữa công cơ và nhiệt.

Nó được định nghĩa là lượng công cần thiết để tạo ra một đơn vị lượng nhiệt trong một hệ thống. Ký hiệu cho tương đương cơ học của nhiệt là J, và nó còn được biết đến với tên hằng số của Joule hoặc tương đương cơ học của nhiệt của Joule sau nhà khoa học đầu tiên đo lường nó.

Công thức cho tương đương cơ học của nhiệt là:

trong đó W là công thực hiện trên hệ thống, và Q là nhiệt sinh ra trong hệ thống.

Đơn vị cho tương đương cơ học của nhiệt là joule trên calo (J/cal), nghĩa là một joule công tạo ra một calo nhiệt. Một calo là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một gram nước lên một độ Celsius.

Tương đương cơ học của nhiệt được phát hiện như thế nào?

Ý tưởng rằng công cơ và nhiệt có thể hoán đổi cho nhau lần đầu tiên được đề xuất bởi Benjamin Thompson, còn được biết đến với tên gọi Count Rumford, vào năm 1798. Ông đã quan sát thấy một lượng lớn nhiệt được tạo ra do ma sát khi khoan nòng súng tại một đồn điền ở Munich. Ông kết luận rằng nhiệt không phải là một chất, như trước đây được nghĩ, mà là một dạng chuyển động.

Tuy nhiên, Rumford không cung cấp giá trị số cho tương đương cơ học của nhiệt, cũng không tiến hành thí nghiệm kiểm soát để đo lường nó. Các quan sát của ông đã bị thách thức bởi những người ủng hộ thuyết caloric, theo đó nhiệt là một chất lỏng chảy từ vật nóng sang vật lạnh.

Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm chính xác để xác định tương đương cơ học của nhiệt là James Prescott Joule, một nhà vật lý và chủ nhà máy bia người Anh. Năm 1845, ông đã xuất bản một bài báo có tựa đề “Tương đương cơ học của nhiệt,” trong đó mô tả thiết bị và phương pháp của mình.

Joule đã sử dụng một calorimeter bằng đồng chứa nước và một cơ chế cánh quạt gắn với trọng lượng rơi.

Khi trọng lượng rơi, chúng làm quay cánh quạt, khuấy nước bên trong calorimeter. Năng lượng động của trọng lượng và cánh quạt được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong nước. Joule đã đo nhiệt độ tăng của nước và tính toán lượng công thực hiện bởi trọng lượng. Ông đã lặp lại thí nghiệm này nhiều lần với các trọng lượng và chiều cao khác nhau và tìm thấy một giá trị nhất quán cho J: 778.24 foot-pound-force trên mỗi độ Fahrenheit (4.1550 J/cal).

Thí nghiệm của Joule đã chứng minh rằng công và nhiệt là tương đương và được bảo toàn,

có nghĩa là chúng không thể được tạo ra hoặc tiêu diệt mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Đây là một bước đột phá lớn trong sự phát triển của nhiệt động lực học, là nghiên cứu về năng lượng và các biến đổi của nó.

Ứng dụng của tương đương cơ học của nhiệt?

Khái niệm về tương đương cơ học của nhiệt có nhiều ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật. Ví dụ:

• Nó giải thích cách động cơ hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành năng lượng cơ học trong chuyển động.

• Nó giúp chúng ta tính toán hiệu suất của máy móc và quy trình bằng cách so sánh công đầu vào và nhiệt đầu ra.

• Nó cho phép chúng ta thiết kế các thiết bị có thể chuyển đổi nhiệt dư thừa thành công hữu ích, chẳng hạn như máy phát điện nhiệt điện.

• Nó cho phép chúng ta hiểu cách các sinh vật sống sử dụng năng lượng trao đổi chất để thực hiện các chức năng khác nhau.

Tương đương cơ học của nhiệt cũng liên quan đến các khái niệm quan trọng khác trong nhiệt động lực học, như墒情良好，无需翻译。