Механический эквивалент теплоты

Многочисленные последующие опыты самого Джоуля и других ученых подтвердили сделанный вывод. Было экспериментально доказано, что калория есть не что иное, как тепловая единица энергии. Величина 4,2 Дж/кал (или, точнее, 4,1868 Дж/кал) получила название механического эквивалента теплоты: это переводной множитель из тепловых единиц в механические*.

* Д. Джоуль получил значение 4,155 Дж/кал. Столетний опыт усовершенствования техники измерений улучшил результат Джоуля менее чем на 1%. Измерения Джоуля были выполнены с завидной точностью.

В СИ количество теплоты выражают в джоулях, а удельную теплоемкость — в джоулях на килограмм-кельвин. Для воды удельная теплоемкость примерно равна 4190 ДжДкг • К).

Количество переданной теплоты оказалось эквивалентным работе: механический эквивалент теплоты 4,2 Дж/кал.

§ 5.4. Закон сохранения энергии. Внутренняя энергия

На основании опытов Джоуля и бесчисленного множества других наблюдений, путем обобщения опытных фактов был сформулирован один из наиболее фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии

Опыты Джоуля и других ученых убедительно доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Опускаются гири, вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и температура ртути повышается на строго определенное число градусов. Падает молот на кусок свинца, и свинец нагревается вполне определенным образом.

Был сделан вывод: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно. Она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями в природе и связывает их воедино. Он выполняется всегда: не известно ни одного случая, когда бы он был нарушен.

Если в механике закон сохранения был получен из законов Ньютона, то общий закон сохранения энергии, включающий все ее формы, является опытным (эмпирическим) законом. Он был открыт в середине XIX в. немецким ученым Р. Майером*, английским ученым Д. Джоулем и получил наиболее полную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца.

* Во время пребывания в тропиках (остров Ява) в качестве судового врача Майер при эпидемии легочных заболеваний лечил моряков обычным в то время методом: обильным кровопусканием из вены руки. Он обратил внимание на то, что цвет венозной крови значительно светлее, чем при плавании в северных широтах. Ее можно спутать с артериальной. Между разностью температур тела и окружающей среды и степенью окисления крови существовала очевидная связь. Отсюда Майер сделал вывод о связи между потреблением пищи и образованием теплоты в организме.

Внутренняя энергия

Майер Юлиус Роберт (1814—1878) — немецкий врач и замечательный физик. Майер фактически впервые четко сформулировал закон сохранения энергии и вычислил механический эквивалент теплоты на основе сравнения теплоемкостей газов при постоянном давлении и постоянном объеме. Идеи Майера не сразу были поняты и признаны современниками, а в дальнейшем оспаривался приоритет его открытия. Это нанесло ему тяжелую психологическую травму.

Все макроскопические тела наряду с механической энергией обладают еще энергией, зависящей от внутреннего состояния тел. Эту энергию называют внутренней. Открытие закона сохранения энергии оказалось возможным лишь после того, как было доказано существование внутренней энергии.

При нагревании ртути в опытах Джоуля ее внутренняя энергия увеличивалась за счет уменьшения механической энергии опускающихся гирь. При работе паровой турбины, наоборот, механическая энергия появляется в результате уменьшения внутренней энергии пара.

Наблюдать превращение внутренней энергии в механическую можно на простом опыте. Если нагревать воду в пробирке, то внутренняя энергия воды начнет возрастать. Вода закипит, и давление пара увеличится настолько, что пробка будет выбита. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии пара. Расширяясь, водяной пар совершает работу и охлаждается. Его внутренняя энергия при этом уменьшается.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий хаотического движения всех молекул (или атомов) относительно центра масс тела* и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел). Кроме того, во внутреннюю энергию входит энергия движения и взаимодействия частиц, слагающих атомы и молекулы. Но при не слишком больших температурах эта энергия остается неизменной.

* Кинетическая энергия молекул при упорядоченном перемещении их вместе с телом представляет собой механическую кинетическую энергию тела.

У идеального газа вся внутренняя энергия представляет собой кинетическую энергию теплового движения его молекул (см. § 4.8).