Изменение внутренней энергии при выполнении механической работы. Опыт Джоуля.

Внутренняя энергия может изменяться не только при теплообмене, но и при выполнении механической работы. Например, при пилке дров происходит нагревание пилы. При сверлении механической детали сверло и деталь сильно нагреваются. Резец токарного стайка при обработке деталей становится горячим. Такого рода примеров можно привести очень много. Все они показывают, что когда совершается механическая работа А по преодолению трения пли разрушению материала, то происходит нагревание тел, т. е. увеличение их внутренней энергии, аналогичное тому, какое происходит при получении этими телами некоторого количества теплоты Q. Поэтому говорят, что в приведенных выше примерах происходит превращение работы в теплоту, т. е. происходит превращение механической анергии тел (которая не входит в их внутреннюю энергию) во внутреннюю энергии.

 Если с помощью механической работы можно получить неограниченное количество теплоты, то возникает вопрос: существует ли при этом между механической работой и теплотой определенное количественное соотношение? Иначе говоря, всегда ли за счет одинакового количества работы получается одно и то же количество теплоты? Для ответа на этот вопрос английский ученый Д. Джоуль выполнил серию опытов, которые дали утвердительный ответ. Свой первый опыт он произвел в 1843 г.

На рис. 6.2 изображена схема одного из опытов Джоуля. Установка состояла из калориметра с ртутью. Через калориметр проходила ось, заканчивавшаяся валиком с ручкой. На валик наматывалась нить, к концам которой были прикреплены равные грузы массой т каждый. Рядом с грузами укреплялись линейки, с помощью которых измеряли перемещение грузов. Для усиления трения при движении грузов внутри калориметра делались выступы, а к оси прикреплялись лопасти.

Перед началом опыта с помощью ручки грузы поднимали в верхнее положение и измеряли температуру ртути. Затем ручка освобождалась, и при движении вниз грузы приводили во вращение лопасти внутри калориметра. При этом, вследствие большого трения между лопастями и ртутью, в калориметре выделялось тепло за счет работы, совершаемой при движении грузов на некотором пути к. Поскольку трение в других частях установки было ничтожно малым, можно считать, что в этом опыте увеличение внутренней энергии калориметра равно уменьшению механической энергии грузов в процессе их движения. В то время закон сохранения энергии “еще не был твердо установлен, но Джоуль считал, что количество теплоты Q, выделенное в калориметре, равно работе грузов 2mgh.

Такого рода опытами Джоулю удалось доказать, что количество теплоты, выделенное при трении, прямо пропорционально произведенной работе.

По современным данным, для нагревания 1 кг воды от 292,5 К до 293,5 К, т. е. на 1 К, требуется 4186,8 Дж энергии. Это означает, что удельная теплоемкость воды

c= 4186,8 Дж/(кг*К)=4200 Дж/(кг*К).

Отметим, что до опытов Джоуля с помощью теплообмена можно было находить только относительные удельные теплоемкости, т. е. узнавать, во сколько раз удельная теплоемкость одного вещества больше удельной теплоемкости другого. При этом удельная теплоемкость воды условно принималась за единицу. Количество теплоты, нужное для нагревания 1 кг воды на 1°С, было названо килокалорией (ккал). Удельная теплоемкость воды выражалась следующим образом:

с = 1 ккал/(кг*°С) = 1 кал/(г*°С).

Таким образом, на основании опытов Джоуля имеем

1 ккал/(кг*°С) = 4186,8 Дж/(кг*К).

Из этого соотношения вытекает связь между килокалорией и джоулем:

1 ккал =4186,8 Дж =4200 Дж=4,2 кДж, 1 кал = 4,2 Дж.

В XVIII в. для объяснения тепловых явлений пользовались теорией теплорода. Ученые предполагали, что существует особый невесомый вид материи — теплород, количество которого в природе неизменно. Считалось, что при охлаждении тела теплород перетекает из тела в окружающую среду, а при нагревании тела в него перетекает теплород из других тел.

Одним из первых выступил против теории теплорода М. В. Ломоносов (1711— 1765 гг.), который объяснял тепловые явления движением невидимых частиц тела. В 1798 г. англичанин Б. Румфорд показал, что при сверлении пушечных стволов теплота может быть получена в неограниченном количестве (за счет механической работы). Эти исследования Румфорда доказали несостоятельность теории теплорода. Не менее важными для опровержения теории теплорода были и исследования французского ученого С. Карно, который создал теорию работы тепловых машин.