Механіка та термодинаміка розвивалися окремо. Сьогодні для нас природно оперувати енергіями в обох розділах. У механіці ми говоримо про рух, обертання, потенціал, пружні енергії та роботу, яку виконують сили. У термології - про внутрішню передачу енергії та тепла та роботу, пов’язану зі зміною внутрішньої енергії (наприклад, розширювальні роботи в газах). Усі енергії та енергетичні зміни вимірюються сьогодні в джоулях. Але до 1845 р. Енергетичні зміни теплових процесів та енергетичні зміни механічних процесів оброблялись настільки окремо, що навіть одиниця виміру була іншою. Визначення механічної роботи:
Виходячи з цього, одиниця роботи:
Одиницю $ N \ cdot m $ згодом назвали $ \ mathrm $ -. (На момент Джоуля сила вимірювалася не в $ \ mathrm $ -, а в масі шрифту [$ 1 \ \ mathrm $ близько 0,45 $ \ \ mathrm $ і $ 1 \ \ mathrm $ близько 0,45 $ \ \ mathrm $], зміщення та у футах [$ 1 \ \ mathrm $ становить близько $ 0,3 \ \ mathrm $ -])
Тобто, значення працюючої $ 1 \ \ mathrm $ - це кількість енергії, що віддається тілу силою $ 1 \ \ mathrm $ під час переміщення сили $ 1 \ \ mathrm $ (з якої кінетична енергія тіло збільшується за умови, що жодна інша сила, скажімо тертя, не відразу знімається). забирає енергію від роботи тіла).
У теплових процесах тіла можуть нагріватися або охолоджуватися. Це кількість тепла, необхідна для підвищення одиниці температури (сьогодні $ 1 \ \ mathrm $) води на одиницю температури - (сьогодні $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ C> $). (За часів Джоуля одиниці вимірювання були різними, тому включався фунт води, а одиницею підвищення температури було $ \ mathrm ^ \ circ F> $ [$ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $ зростання приблизно $ 0,55 \ \ mathrm ^ \ circ C> відповідає збільшенню на $].)
Ще в 1798 р. Рамфор у своєму експерименті з гарматного буріння зауважив, що механічний рух, механічна робота та генерація тепла як два "віддалені" явища тісно пов'язані. Джоуль зробив фізично історичним подальші якісні спостереження Румфорда і піддав проблему кількісному (кількісному) дослідженню: він спробував виміряти, наскільки механічна робота може "забезпечити" одиницю тепла (сьогодні ми сказали б, щоб перетворити одиницю тепла ).
Експеримент
Джоуль придбав циліндричний бак у 1845 р. З 1 доларом \ mathrm $ (приблизно $ \ Mathrm $) води та робочими колесами, встановленими на вертикальній осі посередині бака. Він прикріпив до валу шків, на який намотував мотузку, і повісив гирю на кінці мотузки (за шківом). Коли сила тяжіння тягнула вагу вниз, леза крутились і енергійно перемішували воду.
Якби вага вільно падав, робота, яка виконувалась силою тяжіння, цілком збільшила б кінетичну енергію ваги. Але тут вага підтягувалася вгору силою мотузки, так що вага опускався з практично постійною швидкістю, рухаючись вниз. Кількість енергії, яку вага, отримана внаслідок дії сили тяжіння, була настільки ж позбавлена її роботою сили мотузки. Однак на дальньому кінці мотузки робоче колесо перемішувало воду, тим самим безперервно передаючи її кінетичну енергію воді, тобто розсіюючи її між молекулами води. Це називається дисипацією.
Джоуль виміряв, що якщо він хоче нагріти $ 1 \ \ mathrm $ води за допомогою $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $, щоб вага $ 1 \ \ mathrm $ опустився, він мав би масу $ 817 \ \ mathrm $ (приблизно $ 370 \ \ mathrm $ ‑os) повинен потонути. (Звичайно, він не робив експерименту з такою великою вагою, але 16 разів поспіль опускав менші ваги з висоти $ 12 \ \ mathrm $, що становить близько $ 11 \ \ mathrm $.)
Із сьогоднішніми одиницями це буде виглядати так:
Якщо ми хочемо нагріти $ 1 \ \ mathrm $ води, необхідна кількість тепла:
\ [Q = c \ cdot m \ cdot \ Delta T \]
\ [Q = 4180 \ \ mathrm ^ \ circ C >> \ cdot 1 \ \ mathrm \ cdot 1 \ \ mathrm ^ \ circ C> \]
У разі складності робота сили тяжіння буде такою:
Якщо ви хочете, щоб вага знизився на $ (1 \ \ mathrm $), тоді:
Якщо робота сили тяжіння повністю нагріла воду, то теплопередача і робота однакові:
\ [4180 \ \ mathrm = m \ cdot 10 \ \ mathrm> \ cdot 1 \ \ mathrm \]
Отже, якщо ми хочемо повторити експеримент Джоуля з фізичною значимістю сьогодні (у $ \ mathrm $), нам доведеться робити з $ 418 \ \ mathrm $ os.
Значення експерименту з лопатевими колесами
За допомогою експерименту дві галузі фізики, механіка та термологія, нарешті, були кількісно пов'язані. Сьогодні для нас природно мати можливість розрахувати калорійну енергетично багату їжу, яка нам потрібна, щоб отримати в організм енергію, необхідну для виконання певної кількості механічних робіт (підняття тягарів, їзда на велосипеді в приміщенні). Але на той час це була революційна ідея.
Апарат Джоуля можна використовувати для вимірювання кількості калорій (кількості тепла, необхідного для нагрівання $ 1 \ \ mathrm $ води за допомогою $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ C> $) і джоуля, в результаті чого:
Продовження експерименту
Джоуль продовжував думати про свій результат. Якщо вода падає з висоти, робота сили тяжіння під час падіння збільшує кінетичну енергію води. Потім, при ударі, ця кінетична енергія повинна перетворюватися в тепло, коли вода зупиняється. Джоуль розрахував висоту, з якої нам довелося б опускати воду, щоб підвищити її температуру на одну одиницю після удару. Давайте подивимось на цей розрахунок у $ \ mathrm $ -:
\ [m \ cdot g \ cdot h = c \ cdot m \ cdot \ Delta T \]
Ми можемо відразу бачити, що маса води $ m $ втрачається, тобто не має значення, скільки води ми скинемо.
\ [g \ cdot h = c \ cdot \ Delta T \]
Введіть відоме значення прискорення внаслідок сили тяжіння і що підвищення температури - це в одиницях:
Розрахунок Джоуля показав, що для розминки з $ 1 \ \ mathrm ^ \ circ F> $ воду потрібно було скинути з висоти $ 817 \ \ mathrm $ (близько $ 250 \ \ mathrm $). У своїй статті він також припустив, що ідею високих водоспадів можна перевірити, вимірявши температуру води вище і нижче. Сам він намагався виміряти це на своєму медовому місяці в Альпах в 1847 році, але вода була розігнана протягом тривалої осені, тому виміряти температуру впалої води не вдалося заздалегідь, а випаровування під час падіння знижує температуру води значно більше, ніж ефект, який хоче виміряти Джоуль. Ось навіть великий фізик-експериментатор, міністр Джеймс Прескотт Джоуль, не завжди може думати про все.
Оригінальну публікацію Джоуля у «Філософському журналі» можна прочитати тут угорською мовою.