Зв’язок між теплом та роботою
Якщо тепло і робота є обома формами енергії, що переходять від одного тіла або системи до іншого, вони повинні бути пов'язані між собою. Перевірка цього типу стосунків була однією з експериментальних цілей, наполегливо переслідуваних англійським фізиком Джеймсом Прескоттом Джоулем (1818-1889). Навіть коли він проводив різні експерименти в пошуках цього взаємозв'язку, найвідоміший полягав у визначенні тепла, яке виробляється всередині калориметра в результаті тертя з водою калориметра обертової лопатевої системи, і згодом порівнювали його з роботою, необхідною для рухати їх.
Залучена механічна енергія контролювалась в експерименті Джоуля шляхом скидання тягарів, початкову потенційну енергію яких можна було легко розрахувати, щоб робота W, як зміна механічної енергії, це буде задано:
W = DEp = m · g · h
буття м маса ваг, h висота, з якої вони падають і g прискорення сили тяжіння.
Зі свого боку, тепло, що виділяється при перемішуванні води, що утворюється рухомими лопатями, призвело до підвищення температури калориметра та застосування калориметричного рівняння:
Q = m c (Tf - Ti)
дозволило визначити значення Питання і порівняйте його з цим W.
Після серії експериментів, в ході яких він поступово вдосконалював свої результати, він виявив, що робота, виконана в системі, і тепло, що виділяється в калориметрі, завжди підтримували постійну залежність і приблизно дорівнювали 4,2. Тобто, на кожні 4,2 джоуля виконаної роботи кількість калорії, що дорівнює одній калорії, передавалася калориметру. Це значення названо механічний еквівалент тепла це більш точно відомо сьогодні і вважається 4184 джоулями/калоріями. Чисельна залежність між теплом Питання і робота W потім можна записати у формі:
W (джоулі) = 4,18 Питання(калорій)
Закріплення поняття тепла як іншої форми енергії зробило механічний еквівалент простим коефіцієнтом перетворення між різними одиницями однакової фізичної величини, енергії; щось подібне до числа, яке перетворює довжину, виражену в дюймах, у однакову довжину, виражену в сантиметрах.
Теплові машини
Разом із перетворенням роботи на тепло, виявленим у досвіді Джоуля, фізично можливим є перетворення, проведене в протилежному напрямку. Двигуни внутрішнього згоряння, що рухаються, загалом, автотранспортними засобами та паровою машиною старих вугільних локомотивів, є пристроями, здатними здійснювати перетворення тепла в механічну роботу. Цей тип пристроїв отримує загальну назву теплові машини.
У всіх теплових машинах система поглинає тепло від гарячої лампочки; Частина перетворює його на роботу, а решта переноситься в зовнішнє середовище, яке знаходиться при більш низькій температурі. Цей факт становить загальне правило всіх теплових машин і дає підставу визначити характерний параметр кожної машини, що викликається продуктивність і визначається як коефіцієнт між виконаною роботою та теплом, яке використовується для її досягнення. Виражене у відсотках, воно має вигляд:
Жоден тепловий двигун не досягає стовідсоткової продуктивності. Це обмеження не має технічного характеру, тому воно не може бути усунене, коли технологічний розвиток досягне вищого рівня, ніж нинішній; Однак загальний закон природи робить повне перетворення тепла в роботу неможливим. З цієї причини перетворення енергії, що закінчуються теплом, являють собою деградація енергії, оскільки загальне перетворення тепла в корисну роботу не допускається природними законами.
Застосування співвідношення тепло/робота
В експерименті, подібному Джоулевому, використано вагу 10 кг, яку підняли на висоту 2 м. Якщо повний калориметр, що включає лопаті, еквівалентний масовій воді 1,5 кг, а початкова температура становить 15 ºC, визначте кінцеву температуру, яку вода досягне, припускаючи, що всі механічні роботи перетворюються на тепло в калориметрі. (Врахуйте питому теплоту води c = 4,18 · 10 3 Дж/кг · K).
Відповідно до принципу збереження енергії механічна робота повністю перетворюється на тепло:
Перебуваючи в цій справі Ш = м г год Y Q = m 'c(ТF - Тi).
Узгодження обох виразів та розв’язування Тf ми маємо:
m g h = m 'c (ТF - Тi)
і підставляючи його, нарешті, призводить до:
тf (ºC) = 288 - 273 = 15 ºC