Cautare rapida

Mecanica și termodinamica s-au dezvoltat separat. Astăzi, este firesc pentru noi să operăm energii în ambele capitole. În mecanică vorbim despre mișcare, rotație, potențial, energii elastice și munca depusă de forțe. În termologie, despre energia internă și transferul de căldură și funcționează în legătură cu schimbările de energie internă (de exemplu, lucrările de expansiune în gaze). Toată energia și schimbările de energie sunt măsurate astăzi în jouli. Dar până în 1845, schimbările de energie ale proceselor termice și schimbările de energie ale proceselor mecanice au fost tratate atât de separat încât chiar și unitatea sa de măsură a fost diferită. Definiția lucrării mecanice:

Pe baza acestui lucru, unitatea de lucru:

Unitatea $ N \ cdot m $ a fost numită ulterior $ \ mathrm $ -. (În momentul Joule, forța a fost măsurată nu în $ \ mathrm $ -, ci în greutatea fontului [$ 1 \ \ mathrm $ aproximativ 0,45 $ \ \ mathrm $ și $ 1 \ \ mathrm $ aproximativ 0,45 $ \ \ mathrm $], deplasarea și în picioare [$ 1 \ \ mathrm $ este de aproximativ 0,3 $ \ \ mathrm $ -])

Adică, sensul de a lucra $ 1 \ \ mathrm $ este cantitatea de energie dată corpului de o forță de $ 1 \ \ mathrm $ în timpul deplasării forței $ 1 \ \ mathrm $ (din care energia cinetică a corpul crește, cu condiția ca nici o altă forță, să zicem că preia energia din lucrul corpului).

În procesele termodinamice, corpurile se pot încălzi sau răcori. Aceasta este cantitatea de căldură necesară pentru creșterea unei unități de temperatură (astăzi $ 1 \ \ mathrm $) de apă pe unitate de temperatură - (astăzi pentru a încălzi $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ C> $). (La vremea lui Joule, unitățile erau diferite, deci a fost inclusă o lire de apă și unitatea de temperatură - creșterea a fost $ \ mathrm ^ \ circ F> $ [$ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $ aproximativ 0,55 $ \ \ mathrm ^ \ circ C> corespunde unei creșteri de $].)

Încă din 1798 Rum, Rumford a observat în experimentul său de forare cu tunul că mișcarea mecanică, munca mecanică și generarea căldurii ca două fenomene „îndepărtate” sunt strâns legate. Joule a făcut din punct de vedere fizic important din punct de vedere istoric luarea observațiilor calitative ale lui Rumford și supunerea problemei unui studiu cantitativ (cantitativ): a încercat să măsoare cât de multă muncă mecanică ar putea „furniza” o unitate de căldură (astăzi am spune să convertim o unitate de căldură ).

Experimentul

Joule a cumpărat un rezervor cilindric în 1845 cu 1 $ \ \ mathrm $ (aprox. $ \ Mathrm $) de apă și rotoare montate pe o axă verticală în mijlocul rezervorului. A atașat o scripete la arbore, pe care a înfășurat o frânghie și a atârnat o greutate la capătul frânghiei (dincolo de o scripete). Pe măsură ce forța gravitațională a tras greutatea în jos, lamele s-au rotit și au agitat puternic apa.

Dacă greutatea ar fi căzut liber, munca efectuată prin forța gravitațională ar fi crescut energia cinetică a greutății în întregime. Dar aici greutatea a fost trasă în sus de forța frânghiei, astfel încât greutatea sa scufundat la o viteză substanțial constantă, deplasându-se în jos. Cantitatea de energie pe care greutatea a primit-o prin opera gravitațională a fost la fel de mult privată de ea prin munca forței de frânghie. Totuși, la capătul îndepărtat al frânghiei, rotorul a agitat apa, transferându-și astfel energia cinetică în apă, adică împrăștiind-o printre moleculele de apă. Aceasta se numește disipare.

Joule a măsurat că, dacă ar vrea să încălzească apă cu 1 $ \ \ mathrm $ cu $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $, astfel încât greutatea $ 1 \ \ mathrm $ să se scufunde, el ar avea o masă de 817 $ mathrm $ (aprox. 370 $ \ \ mathrm $ ‑os) ar trebui să se scufunde. (Bineînțeles, el nu a făcut experimentul cu o greutate atât de mare, ci a redus greutăți mai mici de 16 ori la rând, de la o înălțime de 12 $ \ \ mathrm $, care este de aproximativ 11 $ \ \ mathrm $.)

Cu unitățile de astăzi, ar arăta astfel:

Dacă dorim să încălzim 1 $ \ \ mathrm $ apă, cantitatea de căldură necesară este:

\ [Q = c \ cdot m \ cdot \ Delta T \]

\ [Q = 4180 \ \ mathrm ^ \ circ C >> \ cdot 1 \ \ mathrm \ cdot 1 \ \ mathrm ^ \ circ C> \]

În cazul dificultății, lucrarea gravitației ar fi:

Dacă doriți ca greutatea să scadă cu $ (1 \ \ mathrm $), atunci:

Dacă operația gravitațională a încălzit complet apa, atunci transferul de căldură și munca sunt aceleași:

\ [4180 \ \ mathrm = m \ cdot 10 \ \ mathrm> \ cdot 1 \ \ mathrm \]

Deci, dacă vrem să repetăm experimentul lui Joule cu semnificație fizică astăzi (în $ \ mathrm $), ar trebui să avem de-a face cu $ 418 \ \ mathrm $ ‑os.

Semnificația experimentului roții cu palete

Cu ajutorul experimentului, cele două ramuri ale fizicii, mecanicii și termologiei, au fost în cele din urmă conectate cantitativ. Astăzi, este firesc pentru noi să putem calcula alimentele bogate în energie în calorii de care avem nevoie pentru a obține energia necesară pentru a face o cantitate dată de muncă mecanică (ridicarea greutăților, ciclism în interior) în corpul nostru. Dar asta era o idee revoluționară la acea vreme.

Aparatul Joule poate fi folosit pentru a măsura numărul de calorii (cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 $ \ \ mathrm $ apă cu 1 $ \ \ mathrm ^ \ circ C> $) și joule, rezultând:

Continuarea experimentului

Joule se tot gândea la rezultatul său. Dacă apa este scăzută de la înălțime, lucrarea gravitației în timpul căderii crește energia cinetică a apei. Apoi, la impact, această energie cinetică trebuie transformată în căldură pe măsură ce apa se oprește. Joule a calculat înălțimea de la care ar trebui să scăpăm apă pentru a-i crește temperatura cu o unitate după impact. Să vedem acest calcul în $ \ mathrm $ -:

\ [m \ cdot g \ cdot h = c \ cdot m \ cdot \ Delta T \]

Putem vedea imediat că masa de apă $ m $ este pierdută, adică nu contează câtă apă aruncăm.

\ [g \ cdot h = c \ cdot \ Delta T \]

Introduceți valoarea cunoscută a accelerației datorată gravitației și că creșterea temperaturii - este în unități:

Calculul lui Joule a arătat că, pentru a încălzi cu $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $, apa trebuia scăzută de la o înălțime de $ 817 \ \ mathrm $ (aproximativ $ 250 \ \ mathrm $). În articolul său, el a mai sugerat că ideea cascadelor ridicate ar putea fi verificată prin măsurarea temperaturii apei deasupra și dedesubt. El însuși a încercat să măsoare acest lucru în luna de miere din Alpi în 1847, dar apa a fost dispersată în timpul toamnei lungi, deci nu a fost posibil să se măsoare în prealabil temperatura apei căzute, iar evaporarea în timpul toamnei reduce temperatura apei mult mai mult decât crește Efectul pe care Joule dorește să îl măsoare. Iată, chiar și un mare fizician experimental, ministrul James Prescott Joule, nu se poate gândi întotdeauna la toate.

Publicația originală a lui Joule în revista Philosophical poate fi citită aici în limba maghiară.