Статистична та термодинамічна фізика
В експерименті Джоуля визначається механічний еквівалент тепла, тобто залежність між одиницею енергії джоулів (джоулів) та одиницею теплової калорії.
Завдяки цьому модельованому експерименту мета полягає в тому, щоб показати велику кількість енергії, необхідної для перетворення в тепло, щоб помітно підвищити температуру невеликого об'єму води.
Опис.
Теплоізольована ємність містить певну кількість води, з термометром для вимірювання її температури, валом із лопатками, які приводиться в рух під дією ваги, як показано на малюнку.
Оригінальний варіант експерименту складається з двох рівних ваг, які симетрично звисають з валу.
Вага, який рухається з практично постійною швидкістю, втрачає потенційну енергію. В результаті вода, що перемішується лопатками, стає гарячою через тертя.
Якщо тісто блокувати М спуститися на висоту h, потенційна енергія зменшується на Mgh, і це енергія, яка використовується для нагрівання води (іншими втратами нехтуємо).
Джоуль виявив, що зменшення потенційної енергії пропорційне підвищенню температури води. Константа пропорційності (питома теплоємність води) дорівнює 4,186 Дж/(г єС). Отже, 4186 Дж механічної енергії підвищує температуру 1 г води на 1є C. Калорія визначається як 4186 Дж без посилання на речовину, що нагрівається.
При моделюванні експерименту Джоуля нехтують водним еквівалентом калориметра, термометра, валу та лопаток, втратами енергії через ізолюючі стінки контейнера з калориметром та іншими втратами внаслідок тертя шківів.
Будьте М маса підвісного блоку і h його вертикальне зміщення
м маса води калориметра
Т0 початкова температура води і Т остаточна температура
g= 9,8 м/с 2 прискорення завдяки силі тяжіння
Перетворення механічної енергії повністю в тепло виражається наступним рівнянням.
Питома теплоємність води очищається, що буде виражено в Дж/(кг К).
Оскільки питома теплоємність води є за визначенням c= 1 кал/(г єС), отримуємо еквівалентність між одиницями тепла та роботою чи енергією.
Діяльність
Маса М висячого блоку (у кг), в елементі керування редагуванням під назвою Вага, яка звисає.
Маса м води (у г) або її об'єм у мл, у контролі редагування під назвою Водойма.
Початкова температура Т0 встановлюється в інтерактивній програмі на значення 20єС
Натисніть кнопку з назвою Починається.
Щоб зупинити рух блоку на певній висоті, натисніть кнопку з заголовком Пауза а потім кілька разів Він пройшов, щоб крок за кроком наблизитися до бажаної висоти
Ми спостерігаємо падіння блоку, який рухає деякі лопаті, що знаходяться всередині калориметра. Тертя рухомих лопатей з водою підвищує її температуру. Блок скидається на одну висоту h і температура відзначається Т кінець нагрітої води.
Блокова маса М= 50 кг
Маса води в г (або об'єм води в мл), м= 100 г = 0,10 кг
Висота h= 1 м
Початкова температура Т0= 20єС, і кінцева температура Т= 21,2єС
Нам слід збільшити різницю температур, щоб отримати кращий результат. На реальному досвіді це досягається тим, що блок падає кілька разів. Загальна робота становить nMgh, буття n кількість разів звільнення блоку. В модельованому досвіді ми досягаємо того самого ефекту, збільшуючи масу М блоку