Experientia docet Динамиката на топлината Член 2 от 28

Около половин век по-късно Джеймс Прескот Джоул ще повтори експериментите на Румфорд в по-малък мащаб. Той започва през 40-те години и ги повтаря в продължение на много години, като все повече усъвършенства своите устройства и техники. Във всички случаи, колкото по-внимателен беше, толкова по-точно откриваше пропорционалността на количеството топлина, измерено като промяна в температурата и количеството извършена работа. Докато Джоул прави експериментите си с вода, както и останалите изследователи от онова време, той приема, че пропорционалността, която е намерил между количеството произведена топлина, символизирано от буквата Въпрос: (Въпрос: е общ символ за топлина) е равно на количеството вода, изразено като нейната маса, м, умножено по изменението (символизирано от гръцката буква Δ, делта) в температурата, т; с това, което стигна до израза: Въпрос: = мΔт.

Днес знаем, че количеството топлина, което съответства на определена промяна в температурата, е различно за различните вещества (дори че може да варира в зависимост от температурата). За да вземете това предвид в горния израз, просто въведете константа ° С, ще й се обадим специфична топлина на въпросното вещество. По този начин връзката между промяната на топлината и температурата може да се запише като: Въпрос: = м·° СΔт.

Количеството топлина може да бъде изразено в единица, наречена калории. Калорията се определя като количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 g вода с 1 ° C при стандартни условия. Следователно специфичната топлина на водата, изразена в калории, е точно 1, тоест за вода ° С = 1 кал/g ° C. Следователно, ако говорим в тези единици, отношението на Джоул е изпълнено: Въпрос: = мΔт

джоул
Джеймс Прескот Джоул

Джоул проведе много разнообразни експерименти и използвайки различни средства, за да може да установи връзка, независимо от използваната система.

За един от ранните си експерименти върху връзката между топлината и работата, Джоул построи обикновен електрически генератор, чиято движеща сила беше падащото тегло. По този начин той пропуска електрическия ток през кабел, който е потопен в съд с вода, която той нагрява. От разстоянието, което теглото измина, когато Джоул падна, той можеше да изчисли свършената работа (не забравяйте, че работата не е нищо повече от сила, умножена по разстояние, а теглото е сила; това е и в този случай, намаляване на енергийния потенциал, това, което е свързано с положението в поле като гравитационно). Продуктът от масата на водата, м, в контейнера чрез повишаване на температурата му, Δт, позволи на Джоул да изчисли количеството произведена топлина, Въпрос:.

В друг експеримент Джоул компресира газ в бутилка, потопена във вода, измервайки работата, извършена за компресиране на газа от буталото. След това се измерва количеството топлина, допринесено за водата чрез нагряване на газа, докато се компресира.

Вероятно най-известната поредица от експерименти е тази, в която е използвано устройство, при което бавно спускащите се тежести са въртели гребло в съд с вода. Поради триенето между колелото и течността, колелото е работило върху течността, повишавайки нейната температура.

Всички тези експерименти, някои повтаряни много пъти с все по-добра апаратура, накараха Джоул да обяви два много важни количествени резултата през 1849 г., които, изразени на съвременния език, са:

  • Количеството топлина, произведено от триенето на телата, било то твърдо или течно, винаги е пропорционално на количеството изразходвана енергия.
  • Количеството топлина (в калории), което може да повиши температурата на 1 kg вода с 1 ºC, изисква промяната в механичната енергия, представена от падането на тегло от 4 180 N (нютон) на 1 m

Първото твърдение на Джоул е доказателство, че топлината е форма на енергия, срещу калоричната теория, че топлината е течност. Вторият дава цифровата величина на съотношението, което той е намерил между механичната енергия и нейната еквивалентна топлинна енергия. Това съотношение между механичната енергия, И, и еквивалентното количество топлинна енергия, Въпрос:, обикновено се нарича механичен еквивалент на топлина. В началото на 20-ти век неговата числена стойност ще бъде установена на 4,186 J/cal (джаули, единица енергия, на калория).

По времето, когато Джоул провежда известните си експерименти, идеята, че топлината е форма на енергия, все повече се приема. Въпреки че Джоул не беше единственият, който изрази тези идеи, експериментите му бяха ключови за тяхната консолидация.

Относно автора: Сезар Томе Лопес е научен комуникатор и редактор на Mapping Ignorance