Статистическа и термодинамична физика
В експеримента с Джоул се определя механичният еквивалент на топлина, тоест връзката между енергийната джаул (джаул) и единицата топлинна калория.
Чрез това симулирано преживяване целта е да се покаже голямото количество енергия, което е необходимо за трансформиране в топлина, за да се повиши значително температурата на малък обем вода.
Описание.
Топлоизолиран контейнер съдържа определено количество вода, с термометър за измерване на неговата температура, вал с лопатки, които се задвижват от действието на тежест, както е показано на фигурата.
Оригиналната версия на експеримента се състои от две равни тежести, които висят симетрично от шахтата.
Тежестта, която се движи с практически постоянна скорост, губи потенциална енергия. В резултат на това водата, разбъркана от лопатките, става гореща поради триене.
Ако тестото блок М спускане на височина з, потенциалната енергия намалява с Mgh, и това е енергията, използвана за нагряване на водата (други загуби се пренебрегват).
Джоул установи, че намаляването на потенциалната енергия е пропорционално на повишаването на температурата на водата. Константата на пропорционалност (специфичната топлина на водата) е равна на 4,186 J/(g єC). Следователно 4 186 J механична енергия повишава температурата на 1 g вода с 1 ° C. Калорията се определя като 4 186 J, без да се посочва веществото, което се нагрява.
При симулацията на експеримента с Джоул се пренебрегват водният еквивалент на калориметъра, термометъра, шахтата и лопатките, енергийните загуби през изолационните стени на контейнера с калориметър и други загуби поради триене върху ролките.
Бъда М масата на окачения блок и з вертикалното му изместване
м масата на водата на калориметъра
Т0 началната температура на водата и т крайната температура
ж= 9,8 m/s 2 ускорение поради гравитацията
Преобразуването на механичната енергия изцяло в топлина се изразява чрез следното уравнение.
Специфичната топлина на водата се изчиства, което ще бъде изразено в J/(kg K).
Тъй като специфичната топлина на водата е по дефиниция ° С= 1 кал/(g єC), получаваме еквивалентността между единиците топлина и работа или енергия.
Дейности
Маса М на висящия блок (в кг), в контролата за редактиране, озаглавена Тегло, което виси.
Маса м вода (в g) или нейният обем в ml, в контролата за редактиране, озаглавена Воден басейн.
Начална температура Т0 е зададена в интерактивната програма на стойност 20єC
Натиснете бутона със заглавие Започва.
За да спрете движението на блока на определена височина, натиснете бутона с право Пауза и след това няколко пъти Той премина, за да се приближите до желаната височина стъпка по стъпка
Наблюдаваме падането на блока, който движи някои остриета, които са вътре в калориметъра. Триенето на движещите се остриета с водата повишава нейната температура. Блокът се изпуска с една височина з и температурата се отбелязва т край на загрята вода.
Блокова маса М= 50 кг
Маса вода в g (или обем вода в ml), м= 100 g = 0,10 kg
Височина з= 1 m
Начална температура Т0= 20єC и крайната температура т= 21,2єC
Трябва да увеличим температурната разлика, за да постигнем по-добър резултат. В реалния опит това се постига, като блокът пада няколко пъти. Общата работа е nMgh, битие н броя на освобождаване на блока. В симулирания опит постигаме същия ефект чрез увеличаване на масата М на блока