Mulinetă Joule

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un tambur cu palete similar cu cel folosit de Joule

Whirlpool-ul Joule este instrumentul cu care fizicianul englez James Prescott Joule , în 1847, a determinat echivalentul mecanic al căldurii . [1]

Este practic un anumit tip de calorimetru care conține apă; paletele sunt supuse la câteva forțe din cauza căderii a două greutăți mari, libere să se miște sub efectul accelerației gravitației . Se stabilește astfel un regim vâscos între lamele tamburului și structura bobinei în sine, cu crearea în consecință a unor forțe vâscoase mari. Ca o consecință a acestui proces, sistemul format din greutăți plus tamburul în sine atinge rapid o viteză de stare stabilă, astfel încât există o creștere a temperaturii apei și o scădere încetinită a greutăților. Când greutățile au ajuns la sol, se măsoară creșterea temperaturii apei conținute în calorimetru, obținându-se variația energiei interne derivată din acțiunea mecanică a vârtejului.

Prin urmare, se concluzionează, în fața creșterii temperaturii, că totul s-a întâmplat ca și când ar fi fost administrată căldură (ceea ce este imposibil deoarece calorimetrul este izolat termic) și, prin urmare, este posibil să se determine relația dintre energia mecanică introdusă și variația energiei interne măsurată în calorii destinate căldurii fictive introduse și dată de produsul masei de apă pentru creșterea temperaturii.

Prin intermediul acestui experiment, Joule a determinat o valoare a echivalentului mecanic al căldurii egală cu 4.155 J / Cal; o valoare de o precizie extraordinară pentru vremuri, dar ușor diferită de cea pe care o folosim astăzi (4.186 J / Cal).

Descrierea aparatului instrumental

Au fost utilizate trei termometre (A, B, C), calibrate și gradate conform metodei indicate de Regnault: gradarea instrumentelor a fost atât de precisă încât rezultatele comparate între ele au coincis la 1/100 ° F. Măsurarea finală a termometrului a fost obținută prin scufundarea becului și a capilarului în aburul obținut prin fierberea unei anumite cantități de apă pură. În timpul procesului, temperatura aerului a fost de 10 ° C (50 ° F).

Valorile termometrelor A și B au fost obținute prin scufundarea lor într-un volum de apă menținut constant la diferite temperaturi. Valoarea termometrului C a fost determinată prin comparație cu termometrul A.

Joule a făcut un total de cinci serii de experimente: primul cu apă apoi a făcut două experimente diferite cu mercur și în cele din urmă a făcut alte câteva serii cu solide.

Pentru a produce fricțiunea apei, Joule a folosit o roată cu palete din alamă echipată cu opt brațe mobile care lucrau între patru seturi de lame fixe atașate la o placă de alamă. Axa lamei roții a fost împărțită în două părți de o bucată de bușteni (fig. 1, fig. 2).

Fig. 3 reprezintă recipientul de cupru în care fiecare aparat rotativ a fost bine introdus: a fost prevăzut cu o garnitură subțire din piele. Pe capac au fost introduse două gâturi la vârful cărora a fost introdus fiecare termometru.

Aparatele utilizate pentru experimentele cu frecare de mercur sunt reprezentate în figuri. 4, 5, 6 și diferă de cea din Fig. 3 pentru dimensiunea sa și pentru material, adică fier forjat și fontă .

Cu experimentele privind fricțiunea solidelor, Joule a folosit aparatul instrumental din Fig. 7 și Fig. 8 reprezintă întregul instrument în vasul său din fontă.

Fig. 9 este o vedere în perspectivă a mașinii utilizate pentru pornirea aparatelor descrise mai jos.

D Corect joul reel design.png

Metodă

Metoda utilizată a fost simplă: temperatura aparatului, greutatea încărcată în partea de sus și înălțimea atinsă au fost stabilite, determinate cu scânduri de lemn gradate. Cilindrul a fost liber să se miște derulând firul până când greutatea a ajuns pe podeaua laboratorului, scăzând 160,02 cm (63 inci). După aceea, cilindrul a fost îndepărtat, greutatea a revenit și fricțiunea s-a recreat. După repetarea procedurii de douăzeci de ori, experimentul a fost încheiat cu o altă observare a temperaturii aparatului. Temperatura de laborator, pe de altă parte, a fost observată la începutul, în timpul și la sfârșitul fiecărui experiment.

Înainte de fiecare experiment, Joule a experimentat efectele radiației și conducerii căldurii de la sau către atmosferă : în aceste teste poziția aparatului, cantitatea de apă conținută în el, timpul necesar, metoda de observare a termometrelor, poziția experimentator, pe scurt, totul a fost la fel ca experimentele în care s-au observat efectele fricțiunii.

Primul set de experimente - fricțiunea apei

Viteza descreșterii greutății a fost de 2,42 inci / s (6,15 cm / s), timpul necesar fiecărui experiment a fost de 35 min, termometrul A a fost utilizat pentru a înregistra temperatura apei, în timp ce termometrul B pentru temperatura aerului.

Efectul temperaturii aerului care înconjoară aparatul a fost, pentru fiecare grad de diferență între temperatura medie a aerului și cea a aparatului, de 0,04654 ° C. Dar o mică corecție a fost aplicată acestei cantități, luând în considerare temperatura medie a aparatului la începutul și la sfârșitul fiecărui experiment, a cărui variație s-a datorat creșterii temperaturii apei. Această corecție a dus la valoarea finală de 0,563209 ° C.

Pentru a stabili cantitatea absolută de căldură degajată, a fost necesar să se găsească capacitatea de căldură a recipientului de cupru și a roții cu palete din alamă. Joule, referindu-se la legea lui Regnault , a obținut aceste valori luând în considerare că căldura specifică a unui aliaj metalic este egală cu suma căldurilor specifice ale constituenților săi metalici . Analizând părțile roții, Joule a obținut capacitatea termică a capacului de alamă plasat pentru a preveni cât mai mult contactul dintre aer și apă. Capacitatea termică a termometrului nu a fost estimată, deoarece a fost întotdeauna adusă la temperatura așteptată înainte de scufundare.

Cantitatea totală de căldură degajată a fost, prin urmare, 1 ° F (° C = 1 / 1,8) în 7,842299 livre (3,5572 kg) de apă.

Eroarea la calcularea înălțimii a fost de 0,0076 inci (0,0193 cm). Aceasta a fost înmulțită cu douăzeci, adică de câte ori s-a repetat procesul, rezultând 0,156 inci (0,386 cm) care a fost scăzut din 1260,248 inci (3201,03 cm) lăsând 1260,096 inci (3200,65 cm) ca înălțime medie corectă de la care greutatea căzut.

Această cădere a reprezentat o energie echivalentă cu 6050,186 picioare (8202.951 Jouli); la aceasta s-au adăugat 16.928 picioare-lire (22.951 Jouli) pentru energia generată de elasticitatea frânghiei, obținându-se ca rezultat final 6067.114 picioare-lire (8225.902 Jouli) ca energie medie corectă.

Deci 6067.114 / 7.842299 = 773.640 picioare-lire (1048.915 Jouli), care a fost energia necesară pentru a crește un grad într-o lire (0.453592 kg) de apă.

Alte serii de experimente

Joule în aceste serii de experimente a folosit materiale diferite decât apa și s-a concentrat pe studierea fricțiunii lor. Joule cu aceste substanțe Folosesc aceeași tambur și aceeași procedură pe care o folosise el cu apă, dar a mers să schimbe recipientul, astfel încât acesta să poată conține diferitele substanțe.

Primul material diferit de apa pe care l-a folosit a fost cuprul. Fig. 3 reprezintă recipientul său în care fiecare aparat rotativ a fost bine introdus: a fost prevăzut cu o garnitură subțire din piele. Pe capac au fost introduse două gâturi la vârful cărora a fost introdus fiecare termometru.

Joule a făcut și alte experimente cu mercur. Aparatele utilizate pentru experimentele cu fricțiunea acestui material sunt reprezentate în figuri. 4, 5, 6 și diferă de cea din Fig. 3 pentru dimensiunea sa și pentru material, adică fier forjat și fontă .

În cele din urmă a făcut alte experimente cu solide. Cu aceste experimente Joule a folosit aparatul instrumental din Fig. 7; Fig. 8 reprezintă întregul instrument din recipientul său din fontă.

Concluzii

Pe lângă experiența cu apă, Joule a efectuat și alte experimente, în special două cu mercur și două cu fontă lichidă. Din media rezultatelor obținute, el a ajuns la următoarele concluzii:

1. Cantitatea de căldură produsă de fricțiunea dintre corpuri, fie că este solidă sau lichidă, este întotdeauna proporțională cu cantitatea de energie consumată;

2. Cantitatea de căldură capabilă să ridice temperatura unei kilograme de apă (cântărită între 55 ° și 60 °) cu 1 ° Fahr necesită pentru transformarea sa furnizarea de energie mecanică corespunzătoare celei eliberate de căderea a 772 de lire sterline (350.173 kg) pentru un spațiu de 1 picior (0,3048 m)

Din formula Q = mcΔT = L se poate deduce că căldura specifică a apei este c = 4186m 2 / s 2 ° C și, în consecință, 1 calorie, definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a crește 1 g de apă, este de 4.186 J

Alte experimente Joule

Primul experiment al lui Joule datează din 1840, anul în care omul de știință a comunicat descoperirea sa Societății Regale cu privire la legea căldurii generate de electricitate . Joule a reușit să stabilească o relație între căldură și afinitate chimică .

În 1843 a arătat cum căldura generată de electromagnetism este proporțională cu energia absorbită și că energia motorului electromagnetic derivă din energia afinității chimice din baterie, energie care altfel ar fi eliberată ca formă de căldură: din acest Joule s-a considerat autorizat să afirme că cantitatea de căldură capabilă să ridice temperatura unei kilograme de apă cu un grad Fahr, este egală cu, și potențial convertibilă, într-o energie mecanică capabilă să ridice 838 de lire sterline la o înălțime perpendiculară de picior. În același an, el a afirmat că căldura este generată de trecerea apei în conducte înguste și că fiecare grad de căldură pe kilogram de apă necesar transformării sale necesită o energie mecanică egală cu 770 de lire sterline (1043.979 Jouli).

Mai mult, în 1844 Joule a arătat că căldura absorbită și eliberată de rarefacția și condensarea aerului este proporțională cu energia transferată și absorbită în aceste operații.

Ulterior, în 1845 și 1847, Joule a folosit o lopată pentru a produce frecare între fluide și a obținut cele mai cunoscute rezultate folosind apă. Rezultatele au coincis cu o bună aproximare între ele și cu cele anterioare derivate din experimente pe gaz, lăsând omul de știință fără îndoieli cu privire la existența unei relații de echivalență între energie și căldură.

Notă

Elemente conexe

Termodinamica Portalul Termodinamicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de termodinamică