Връзка между топлината и работата
Ако топлината и работата са и двете форми на енергия при преминаване от някои тела или системи към други, те трябва да са свързани помежду си. Проверката на този тип взаимоотношения е една от експерименталните цели, настойчиво преследвани от английския физик Джеймс Прескот Джоул (1818-1889). Дори когато е провеждал различни експерименти в търсене на тази връзка, най-известният се състои от определяне на топлината, произведена вътре в калориметъра в резултат на триене с водата на калориметъра на система от въртящи се лопатки и впоследствие сравняването му с необходимата работа да ги премести.
Включената механична енергия се контролира в експеримента на Джоул чрез пускане на тежести, чиято първоначална потенциална енергия може лесно да бъде изчислена, така че W, като промяна в механичната енергия, тя ще бъде дадена от:
W = дEp = m · g · h
битие м масата на тежестите, з височината, от която падат и ж ускорението на гравитацията.
От своя страна топлината, отделена от разбъркване на водата, произведена от движещите се лопатки, доведе до повишаване на температурата на калориметъра и прилагането на калориметричното уравнение:
Q = m c (Tf - Ti)
позволи да се определи стойността на Въпрос: и го сравнете с този на W.
След поредица от експерименти, в които той постепенно подобрява резултатите си, той открива, че работата по системата и отделената топлина в калориметъра винаги поддържат постоянна връзка и приблизително равна на 4.2. Тоест за всеки 4,2 джаула свършена работа на калориметъра се съобщава количество топлина, равна на една калория. Тази стойност наречена механичен еквивалент на топлина днес е по-точно известен и се счита за 4 184 джаула/калории. Числовата връзка между топлината Въпрос: и работа W след това може да се напише във формата:
W (джаули) = 4.18 Въпрос:(калории)
Консолидирането на понятието топлина като друга форма на енергия, направи механичния еквивалент прост коефициент на преобразуване между различни единици с еднаква физическа величина, енергия; нещо подобно на числото, което преобразува дължина, изразена в инчове, в същата дължина, изразена в сантиметри.
Термични машини
Заедно с превръщането на работата в топлина, разкрито в опита на Джоул, трансформацията, извършена в обратната посока, е физически осъществима. Двигателите с вътрешно горене, които като цяло движат моторни превозни средства и парната машина на старите локомотиви от въглища, са устройства, способни да извършват трансформацията на топлината в механична работа. Този тип устройство получава родово име на термични машини.
Във всички термични машини системата абсорбира топлина от гореща крушка; Част от него го превръща в работа, а останалото се пренася във външната среда, която е с по-ниска температура. Този факт представлява общо правило за всички термични машини и поражда дефиницията на характеристичен параметър на всяка машина, която се нарича производителност и се определя като коефициент между извършената работа и топлината, използвана за нейното постигане. Изразено в проценти, то приема формата:
Нито една топлинна машина не постига сто процента производителност. Това ограничение не е от техническо естество, така че не може да бъде премахнато, когато технологичното развитие достигне по-високо ниво от сегашното; Общият закон на природата обаче прави невъзможно пълното превръщане на топлината в работа. Поради тази причина енергийните трансформации, които завършват с топлина, представляват a разграждане на енергията, тъй като пълното превръщане на топлината в полезна работа не е разрешено от природните закони.
Прилагане на съотношението топлина/работа
В експеримент като този на Джоул е използвано тегло от 10 кг, което е повдигнато на височина от 2 м. Ако пълният калориметър, включително остриетата, е еквивалентен на маса вода от 1,5 kg и първоначалната температура е 15 ºC, определете крайната температура, която водата ще достигне, като приемете, че цялата механична работа се преобразува в топлина в калориметъра. (Помислете за специфичната топлина на водата c = 4,18 · 10 3 J/kg · K).
Според принципа на запазване на енергията механичната работа се превръща изцяло в топлина:
Да бъдеш в този случай W = m g h Y. Q = m 'c(тF - ти).
Съвпадение на двата израза и решаване тf имаме:
m g h = m 'c (тF - ти)
и заместването му накрая води до:
тf (ºC) = 288 - 273 = 15 ºC