Statisztikai fizika és termodinamika

A Joule-kísérletben meghatározzák a hő mechanikai egyenértékét, vagyis az összefüggést az energia joule (joule) egysége és a hőkalória egysége között.

Ennek a szimulált tapasztalatnak a célja annak a nagy mennyiségű energiának a bemutatása, amely a hővé történő átalakuláshoz szükséges ahhoz, hogy érezhetően megemelje egy kis térfogatú víz hőmérsékletét.

Leírás.

A hőszigetelt tartály tartalmaz egy bizonyos mennyiségű vizet, hőmérővel mérve a hőmérsékletét, egy tengely lapátokkal, amelyeket egy súly hatására mozgásba hoznak, amint az az ábrán látható.

joule

A kísérlet eredeti változata két egyenlő súlyból áll, amelyek szimmetrikusan lógnak a tengelyen.

A gyakorlatilag állandó sebességgel mozgó súly elveszíti a potenciális energiát. Ennek eredményeként a lapátok által kevert víz súrlódás miatt forróvá válik.

Ha a tömeg blokkolja M ereszkedj le egy magasságra h, a potenciális energia csökken Mgh, és ez az az energia, amelyet a víz melegítésére fordítanak (az egyéb veszteségeket elhanyagolják).

Joule megállapította, hogy a potenciális energia csökkenése arányos a víz hőmérsékletének emelkedésével. Az arányosság állandója (a víz fajhője) 4,186 J/(g єC). Ezért 4 186 J mechanikus energia megnöveli 1 g víz hőmérsékletét 1 ° C-kal. A kalória meghatározása 4186 J, függetlenül a melegítendő anyagtól.

A Joule-kísérlet szimulációjában nem veszik figyelembe a kaloriméter, a hőmérő, a tengely és a lapátok vízegyenértékét, a kaloriméter tartályának szigetelőfalain keresztüli energiaveszteséget és a tárcsák súrlódása miatti egyéb veszteségeket stb.

Lenni M a függőtömb tömege és h függőleges elmozdulása

m a kaloriméter víztömegét

T0 a víz kezdeti hőmérséklete és T a végső hőmérséklet

g= 9,8 m/s 2 gyorsulás a gravitáció miatt

A mechanikai energia teljes hővé való átalakulását a következő egyenlet fejezi ki.

A víz fajhője kitisztul, amelyet J/(kg K) -ben fejeznek ki.

Mivel a víz fajhője definíció szerint c= 1 cal/(g єC), ekvivalenciát kapunk a hő és a munka vagy az energia egységei között.

Tevékenységek

Tömeg M a függesztő blokk (kg-ban), a szerkesztő vezérlőben Súly, ami lóg.

Tömeg m vizet (g-ben) vagy térfogatát ml-ben, a szerkesztési kontrollban Víztömeg.

Kezdeti hőmérséklet T0 az interaktív programban 20єC értékre van beállítva

Nyomja meg a címet Indul.

A blokk mozgásának egy bizonyos magasságban történő leállításához nyomja meg a címet Szünet majd többször is Átadta, hogy lépésről lépésre közelebb kerüljünk a kívánt magassághoz

Megfigyeljük a blokk leesését, amely elmozdít néhány pengét, amelyek a kaloriméter belsejében vannak. A mozgó lapátok súrlódása a vízzel megemeli a hőmérsékletét. A blokk egy magasságban leesik h és a hőmérsékletet megjegyezzük T felmelegített víz vége.

Blokktömeg M= 50 kg

Víz tömege g-ban (vagy vízmennyiség ml-ben), m= 100 g = 0,10 kg

Magasság h= 1 m

Kezdeti hőmérséklet T0= 20 ° C, és a végső hőmérséklet T= 21,2 ° C

Növelnünk kell a hőmérséklet-különbséget, hogy jobb eredményt érjünk el. Valódi tapasztalat szerint úgy érhető el, hogy a blokk többször leesik. A teljes munka nMgh, lény n a blokk felszabadításának száma. A szimulált tapasztalatok alapján ugyanazt a hatást érjük el a tömeg növelésével M a blokk