Qual è l'equivalente meccanico del calore?

Lui Equivalente di calore meccanico È il valore del lavoro meccanico necessario per aumentare la temperatura di un grammo di 14 acqua.5 ºC a 15.5 ºC. Attualmente questo equivalente ha un valore di 4.186 Joule, istituito nel 1920.

All'inizio del XIX secolo, la termodinamica e i meccanici erano considerati due campi scientifici totalmente indipendenti. Il merito di Joule era dimostrare che esiste una connessione tra il trasferimento di energia per il lavoro e il trasferimento di calore per calore.

Il calore specifico dell'acqua consente alle tazze di tè di essere mantenute calde per un tempo considerevole

Joule ha anche contribuito a stabilire la legge sulla conservazione dell'energia che costituisce la prima legge della termodinamica. Questa legge si riferisce all'energia interna (u) di un sistema, in cui indica che la sua prova può essere modificata solo dal lavoro e dal calore esercitati dal sistema o dal sistema.

L'idea che il calore e il lavoro siano equivalenti fu proposta da Julius Robert Von Mayer nel 1842, e indipendentemente da James Joule, nel 1843. Ciò ha avuto origine una controversia su chi aveva stabilito il valore dell'equivalente meccanico del calore, che è stato risolto a favore di Joule nel 1864.

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Aspetti storici

Acqua e calore

Nel 1792, Benjamin Thompson, Conte Rumford, pubblicato nella transazione filofica un insieme di risultati sperimentali che indicavano una relazione tra attrito sperimentato dall'acqua e dalla generazione di calore. Questa segnalazione ha prodotto un cambiamento nelle idee note sul calore.

Lavoro meccanico e calore

Successivamente, gli esperimenti di James Prescott Joule (1818-1889) sull'equivalenza del lavoro e del calore, hanno contribuito alla creazione di una teoria cinetica che ha stabilito una relazione tra lavoro meccanico e calore.

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Questa violava la teoria calorica, che indicava che il calore era un fluido che passava da un sistema all'altro, producendo un aumento della temperatura.

Nel 1840, Joule stabilirono che la quantità di calore prodotta nell'acqua da una corrente elettrica era proporzionale alla resistenza elettrica e quadrata della corrente elettrica (intensità).

Più tardi, nel 1842 Von Mayer pubblicò l'esistenza di una relazione tra lavoro meccanico e calore. Tuttavia, questa stessa relazione fu pubblicata indipendentemente da Joule nel 1843. Nello stesso anno Jules ha pubblicato il suo valore per l'equivalente meccanico del calore. Nel frattempo, Julius von Mayer lo fece nel 1845, sebbene fosse sottolineato che la base sperimentale del suo risultato non era convincente.

Introduzione dell'equivalente

Nel 1845, Joule pubblicò un lavoro intitolato "The Mechanical Equivalent of Heat", una pubblicazione in cui presentava un valore numerico per l'equivalente di 772.24 sterline (4.1550 joule · cal^-1). Questi esperimenti hanno mostrato una relazione tra attrito e calore generato.

Nel 1920 il valore dell'equivalente meccanico del calore a 4 fu corretto.186 j/g di acqua, quindi definendo questo valore come la quantità di lavoro meccanico necessario per variare la temperatura di un grammo di 14 acqua.5 ºC a 15.5 ºC.

Nel 1852, Joule e William Thompson scoprirono che quando un gas espande il suo volume, senza eseguire lavori esterni, c'è una diminuzione della sua temperatura. L'effetto chiamato Joule-Thompson è stato una base per l'istituzione di un'industria di refrigerazione nell'Inghilterra del XIX secolo.

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Joule Experiment

Procedura

L'esperimento che ha permesso a Joule.

Il contenitore ha un coperchio che consente l'inserimento di un termometro e un supporto per le palette che mescoleranno l'acqua. Il supporto è costituito da una manovella e una bobina in cui sono incorporati i fili che legavano ciascuna delle due masse utilizzate nell'esperimento.

Allo stesso modo, la parte del supporto immerso nell'acqua è dotata di pallet che servono a mescolarlo. Infine, il dispositivo viene fornito con due regole, una per ogni massa, con la quale viene determinata la variazione della loro altezza durante l'esperimento.

Quando le masse cadono, girano il supporto e le palette attaccate ad esso, producendo un'agitazione dell'acqua che si traduce in calore e aumenta la sua temperatura, una conseguenza dell'attrito tra le palette e l'acqua.

Attraverso la manovella le masse aumentano e il processo viene ripetuto più volte, fino alla produzione di una variazione apprezzabile della temperatura. Il seguente video mostra il funzionamento di questo esperimento:

Calcoli

Il lavoro meccanico svolto quando i due pesi cadono è un prodotto della perdita di energia potenziale:

W = n · m · g · h (perdita di energia potenziale quando si effettuano masse)

Dove n sono i tempi in cui viene ripetuta la caduta delle masse, con il lavoro meccanico per spostare le palette, le loro masse, G l'accelerazione della gravità e l'altezza percorsa dalle masse quando cade.

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Il calore prodotto dall'azione dei pallet sull'acqua, una conseguenza della caduta delle masse, è dato dall'espressione:

Q = (M + W^') (T₂ - T₁)

Dove è prodotto il calore, la massa dell'acqua, con l'equivalente in calore del calorimetro e t₂ - T₁ Variazione di temperatura.

L'equivalente meccanico del calore viene quindi dato dalla relazione:

J = w / q

Quale sarà lo stesso:

J = n · m · g · h / [(m + w ') · (t₂ - T₁)

= 4186 J / Kcal

Calore specifico

Capacità termica di una sostanza

È la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza in 1 ºC:

C = q / Δt

Dove c è la capacità termica, q la quantità di calore assorbita e Δt la variazione di temperatura.

Calore specifico di una sostanza

Il calore specifico è la capacità calorica di una sostanza per unità di massa:

CE = Q /M · ΔT

Dove CE è il calore specifico.

Il calore specifico dell'acqua (a 15 ºC) è lo stesso 4.186 J / kg · ºC. Quindi, il valore dell'equivalente meccanico del calore corrisponde al valore del calore specifico dell'acqua.

Riferimenti

1. Serway, r. A. e Jewett, J. W. (2008). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume I. Settima edizione. Apprendimento del Cengage editoriale.
2. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Chimica. (8 ° ed.). Apprendimento del Cengage.
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4. I redattori di Enyclopedia Britannica. (2020). James Prescott Joule. Recuperato da: Britannica.com
5. RMS. (2004). Equal meccanici di calore. [PDF]. Recuperato da: PDFS.SemanticScholar.org
6. Electrical4u. (4 marzo 2020). Equal meccanici di calore: cos'è? Estratto da: Electrical4u.com