Історія термодинаміки
- Page ID
- 24469
Навички для розвитку
- Опишіть 2 теорії тепла
- Поясніть аргумент Майєра
Тривалий час фізики і хіміки обговорювали, чи було тепло рідиною (як загадкова рідина) або прийшло від руху частинок. Багато ранніх вчених, як Ньютон, думали, що тепло може бути викликано невеликим рухом частинок, а більше тепла означає більші швидкості або кінетичні енергії. Лавуазьє, однак, вважав, що тепло - це безмасова рідина, яку він назвав «калорійною».
Граф Рамфорд зауважив, що процес розточування гармати (буріння отвору в середині латунної гармати) виробляв багато тепла, особливо коли свердло було тупим або тупим. Він показав, що вироблене тепло пов'язане з обсягом механічної роботи, виконаної свердлом. Деві (згаданий раніше тут) показав, що навіть при 0° C два кубики льоду тануть, коли натираються разом. Це фрикційне опалення також є способом, що люди іноді починають пожежі в пустелі.
Іншим вченим сподобалася теорія рідини. Лавуазьє вважав, що тепло - це рідина, яка спричинила розділення атомів, які він оточує (саме тому, за його словами, щільність зазвичай зменшується, коли ви нагріваєте речовину). Один важливий внесок, який він зробив, полягало в тому, щоб показати, що тепло, що генерується метаболізмом людини або тварин (окислення їжі киснем від дихання) виробляє таку ж кількість енергії, що і спалювання їжі (що часто, якщо не завжди вірно). Карно, який буде дуже важливий пізніше (при розробці другого закону термодинаміки), також вважав, що тепло - це рідина, тому що подібно рідині воно «стікає вниз» від гарячих предметів до холодних предметів. Він вважав, що як і вироблення електроенергії з водоспаду, кількість тепла, яке рухається, і відстань, яке воно падає (зміна температури) визначають наявну потужність. Однак пізніше він зрозумів, що частина тепла втрачається, коли воно перетворюється на механічну енергію (роботу), а це означає, що вона не може бути рідиною, як вода (вода не втрачається, коли падає вода використовується для приводу двигуна).
Майєр використовував дані інших людей, зібрані на теплових потужностях повітря при постійному тиску або постійному обсязі, щоб обчислити взаємозв'язок між енергією, визначеною як сила х відстань (як сучасна одиниця джоуля) і енергією, визначеною зміною температури речовини (як сучасна одиниця калорій, енергія необхідний для підвищення температури 1 г води (1° C). Уявіть собі нагрівання зразка повітря в ємності з фіксованим об'ємом або в камері з поршнем, щоб він завжди знаходився під атмосферним тиском. Один зразок дійсно працює при нагріванні (шляхом розширення проти атмосферного тиску), а інший ні. Різниця в теплоті, необхідна для отримання однакової зміни температури в 2 контейнерах, повинна бути еквівалентна роботі, виконаної системою з поршнем. Майєр стверджував, що тепло, робота та хімічна енергія взаємоконвертовані, тобто всі вони є енергією в різних формах.
Джоуль (для якого названий джоуль) був англійським пивоваром, який проводив згадані раніше дослідження, які призвели до першого закону. Можливо, ви дізналися закон Джоуля в класі фізики, що тепло, вироблене електрикою, Q, є
\[Q\; \alpha\; I^{2}R\]
де I - струм, а R - опір. Він порівняв тепло, вироблене електрикою і теплом, виробленим механічною роботою (нагрівання води за допомогою весла, що працює від падаючої ваги) і таким чином показав еквівалентність механічної роботи і тепла. Іншими словами, Джоуль і Карно показали, що тепло можна використовувати для генерування роботи (як на електростанції), а роботу можна використовувати для отримання тепла (наприклад, з гарматними свердлами або веслом). Кельвін об'єднав ці ідеї і використав їх, щоб запропонувати шкалу температури Кельвіна (але деталі цього можуть зачекати, поки ми вивчимо відкриття Карно більш детально).