Experientia docet Динаміка тепла Стаття 2 з 28

Приблизно через півстоліття Джеймс Прескотт Джоуль повторював би експерименти Румфорда в меншому масштабі. Він розпочав свою діяльність у 1940-х роках і повторював їх протягом багатьох років, дедалі вдосконалюючи свій апарат та техніку. У всіх випадках, чим обережнішим він був, тим точнішим він знаходив пропорційність кількості тепла, вимірювану як зміна температури та обсяг виконаної роботи. Поки Джоуль проводив свої експерименти з водою, як і решта дослідників того часу, він припускав, що пропорційність, яку він виявив між кількістю виробленого тепла, символізується літерою Питання (Питання є загальним символом тепла) дорівнював кількості води, вираженої як її маса, м, помножене на зміну (символізується грецькою літерою Δ, дельта) температури, Т; з тим, що дійшло до виразу: Питання = мΔТ.

Сьогодні ми знаємо, що кількість тепла, яке відповідає певній зміні температури, різне для різних речовин (навіть те, що воно може змінюватися залежно від температури). Щоб врахувати це у наведеному вище виразі, просто введіть константу c, ми покличемо її питоме тепло речовини, про яку йдеться. Таким чином, співвідношення між теплом і зміною температури можна записати як: Питання = м·cΔТ.

Кількість тепла можна виразити в одиниці, що називається калорійність. Калорія визначається як кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 г води на 1 ° C за стандартних умов. Отже, питома теплота води, виражена в калоріях, дорівнює рівно 1, тобто для води c = 1 кал/г ° C. Отже, якщо ми говоримо в цих одиницях, виконується відношення Джоуля: Питання = мΔТ

джоуля
Джеймс Прескотт Джоуль

Джоуль проводив дуже різноманітні експерименти та використовуючи різні засоби, щоб мати змогу встановити стосунки незалежно від використовуваної системи.

Для одного з своїх ранніх експериментів щодо взаємозв’язку тепла і роботи Джоуль побудував простий електричний генератор, рушійною силою якого була падаюча вага. Він пропускав утворений таким чином електричний струм через кабель, занурений у ємність з водою, яку він нагрівав. З відстані, яку пройшов вага, коли Джоуль впав, він міг розрахувати виконану роботу (пам’ятайте, що робота - це не що інше, як сила, відстань у відстані, а вага - сила; це також у цьому випадку зменшення енергетичного потенціалу, те, що пов'язаний з положенням у такому полі, як гравітаційне). Добуток маси води, м, в контейнері за рахунок підвищення його температури, ΔТ, дозволив Джоулю розрахувати кількість виробленого тепла, Питання.

В іншому експерименті Джоуль стискав газ у занурену у воду пляшку, вимірюючи роботу, виконану для стиснення газу поршнем. Потім вимірювали кількість тепла, яке вносить у воду, нагріваючи газ під час стиснення.

Ймовірно, найвідоміша серія експериментів - це той, в якому використовувався пристрій, в якому повільно спадаючі ваги обертали лопатеве колесо в ємності з водою. Через тертя між колесом і рідиною колесо працювало на рідину, збільшуючи її температуру.

Усі ці експерименти, які багато разів повторювались із дедалі кращою апаратурою, змусили Джоуля висловити два дуже важливі кількісні результати в 1849 році, які, виражені сучасною мовою, є:

  • Кількість тепла, яке виробляється тертям тіл, твердих чи рідких, завжди пропорційна кількості витраченої енергії.
  • Кількість тепла (у калоріях), здатне підвищити температуру 1 кг води на 1 ºC, вимагає зміни механічної енергії, представленої падінням ваги 4180 Н на 1 м (ньютони)

Перше твердження Джоуля є доказом того, що тепло є формою енергії, проти калорійної теорії, що тепло є рідиною. Другий дає числову величину відношення, яке він знайшов між механічною енергією та її еквівалентною тепловою енергією. Це співвідношення між механічною енергією, І, і еквівалентна кількість теплової енергії, Питання, його зазвичай називають механічний еквівалент тепла. На початку 20 століття його чисельне значення було б встановлено на рівні 4186 Дж/кал (джоулів, одиниця енергії, на калорію).

До того часу, як Джоуль проводив свої знамениті експерименти, ідея про те, що тепло є видом енергії, набувало визнання. Хоча Джоуль не єдиний висловлював ці ідеї, його експерименти були ключовими для їх консолідації.

Про автора: Сезар Томе Лопес - науковий комунікатор та редактор "Картування незнання"