A hő és a munka kapcsolata
Ha a hő és a munka az egyik testből vagy rendszerből a másikba áramló energia egyik formája, akkor kapcsolódniuk kell egymáshoz. Az ilyen típusú kapcsolat igazolása volt az egyik kísérleti cél, amelyet James Prescott Joule (1818-1889) angol fizikus kitartóan követett. Még akkor is, amikor különböző kísérleteket végzett ennek a kapcsolatnak a keresésére, a legismertebb abból állt, hogy meghatároztuk a kaloriméter belsejében termelődő hőmennyiséget egy forgólapátos rendszer kaloriméterének vízével való súrlódás eredményeként, és ezt követően összehasonlítottuk a szükséges munkával. mozgassa őket.
Az érintett mechanikai energiát Joule kísérletében olyan súlyok elejtésével szabályozták, amelyek kezdeti potenciális energiája könnyen kiszámítható volt, így a munka W, a mechanikai energia változásaként ezt adná:
W = DEp = m · g · h
lény m a súlyok tömege, h a magasság, ahonnan leesnek és g a gravitáció gyorsulása.
A mozgó pengék által termelt víz keveréséből felszabaduló hő a maga részéről megnövelte a kaloriméter hőmérsékletét és a kalorimetrikus egyenlet alkalmazását:
Q = m c (Tf - Ti)
értékének meghatározása Q és hasonlítsa össze azzal W.
Kísérletsorozat után, amelyben fokozatosan javította eredményeit, arra a megállapításra jutott, hogy a rendszeren végzett munka és a kaloriméterben felszabaduló hő mindig állandó kapcsolatot tartott fenn, és megközelítőleg megegyezett a 4,2-vel. Vagyis minden elvégzett 4,2 joule esetén egy kalóriával megegyező hőmennyiséget közöltek a kaloriméterrel. Ez az elnevezett érték a hő mechanikai egyenértéke ma pontosabban ismert, és 4184 joule/kalória. A hő közötti numerikus összefüggés Q és munka W ezután a következő formában írható:
W (joule) = 4,18 Q(kalória)
A hő, mint egy másik energiaforma fogalmának konszolidációja a mechanikai egyenértéket egyszerű konverziós tényezővé tette ugyanazon fizikai nagyságú, különböző energiájú egységek között; valami hasonló ahhoz a számhoz, amely a hüvelykben kifejezett hosszúságot centiméterben kifejezett hosszúsággá alakítja.
Termikus gépek
A Joule tapasztalataiban feltárt munka hővé történő átalakításával együtt az ellenkező irányú átalakítás fizikailag is megvalósítható. A belső égésű motorok, amelyek általában a gépjárműveket mozgatják, és a régi szénmozdonyok gőzgépe, olyan eszközök, amelyek képesek a hő mechanikai munkává történő átalakítását végrehajtani. Ez a típusú eszköz megkapja a (z) általános nevét termikus gépek.
Valamennyi termikus gépben a rendszer forró izzókból nyeri el a hőt; Egy része munkává alakítja, a többi pedig a külső környezetbe kerül, amely alacsonyabb hőmérsékleten van. Ez a tény az összes hőszolgáltató gép általános szabályát képezi, és meghatározza az egyes nevezett gépek jellemző paramétereit teljesítmény és az elvégzett munka és az eléréséhez felhasznált hő hányadosa. Százalékban kifejezve:
Egyetlen hőmotor sem éri el a százszázalékos teljesítményt. Ez a korlátozás nem technikai jellegű, ezért nem szüntethető meg, ha a technológiai fejlődés a jelenleginél magasabb szintet ér el; Ez azonban egy általános természeti törvény, amely lehetetlenné teszi a hő teljes átalakulását munkává. Emiatt a hővel végződő energiaátalakulások a energiaromlás, mivel a hő teljes hasznos munkává alakítását a természeti törvények nem engedélyezik.
A hő/munka arány alkalmazása
Egy Joule-hoz hasonló kísérletben 10 kg súlyt alkalmaztak, amelyet 2 m magasra emeltek. Ha a teljes kaloriméter a pengékkel együtt 1,5 kg víztömeggel egyenértékű, a kezdeti hőmérséklet pedig 15 ° C, akkor határozzuk meg a végső hőmérsékletet, amelyet a víz el fog érni, feltételezve, hogy az összes mechanikai munka hővé alakul át a kaloriméteren belül. (Vegyük figyelembe a víz fajhőjét c = 4,18 · 10 3 J/kg · K).
Az energiatakarékosság elve szerint a mechanikai munka teljes egészében hővé alakul:
Ebben az esetben lenni W = m g h Y Q = m 'c(TF - Tén).
A kifejezések és a megoldások egyeztetése Tf van:
m g h = m 'c (TF - Tén)
és helyettesítése végül azt eredményezi:
tf (° C) = 288 - 273 = 15 ° C