Какой вывод можно сделать на основе результатов опытов джоуля

Какой вывод можно сделать на основе результатов опытов 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 станка при обработке деталей становится горячим. Такого рода примеров можно привести очень много. Все они показывают, что когда совершается механическая работа А по преодолению трения или разрушению материала, то происходит нагревание тел, т. е. увеличение их внутренней энергии, аналогичное тому, какое происходит при получении этими телами некоторого количества теплоты Поэтому говорят, что в приведенных выше примерах происходит превращение работы в теплоту, т. е. происходит превращение механической шергии тел (которая не входит в их внутреннюю энергию) во внутреннюю энергию.

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 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 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 . 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 выделенное в калориметре, равно работе грузов

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

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

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 единипу. Количество теплоты, нужное для нагревания 1 кг воды на 1°С, было названо килокалорией (ккал). Удельная теплоемкость воды выражалась следующим образом:

Таким образом, на основании опытов Джоуля имеем

Из этого соотношения вытекает связь между килокалорией и джоулем:

В XVIII в. для объяснения тепловых явлений пользовались теорией теплорода. Ученые предполагали, что существует особый невесомый вид материн — 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 показав, 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.

Первый закон (начало) термодинамики (№1)

То, что внутреннюю энергию системы можно изменить двумя способами — благо­даря выполнению работы или вследствие теплопередачи, побудило ученых искать взаимосвязь между соответствующими величи­нами. Сначала в 1842 году немецкий естест­воиспытатель Р. Майер теоретически уста­новил, а со временем английский физик Дж. Джоуль в 1843 году экспериментально доказал эквивалентность количества тепло­ты и работы как меры внутренней энергии.

Теоретическим исследованиям Р. Майера и фундаментальным опытам Дж. Джоуля предшест­вовали наблюдения Б. Румфорда относительно получения теп­лоты за счет трения при свер­лении пушечных стволов.

Суть опытов Джоуля состояла в том, что в калориметре перемешивалась ртуть или вода (рис. 2.4). Вследствие трения их темпе­ратура повышалась. Джоуль сделал так, что опыт можно было повторять много раз, поскольку изменение температуры воды за один цикл было незначительным (после 10—20 опусканий разновесов температура воды повышалась лишь на 0,5 °С). Так, стержень с лопатками, помешенный в кало­риметр, приводился в движение силами, возникающими вследствие действия силы тяготения разновесов. Их перемещения из­мерялись с помощью шкалы. Учитывая по возможности разные потери энергии, уче­ный получил значение механического эк­вивалента теплоты, равное 4.19. Оно отли­чается от ныне принятого лишь на 0,5%.

Научное значение опытов Дж. Джоуля заключалось в том, что по его результатам были сделаны обобщения относительно со­хранения энергии в природе:

10 класс

До середины XIX в. развитие механики и теории тепловых явлений в основном происходило независимо. Различны были методы исследования механических и тепловых явлений, способы измерения и единицы таких величин, как работа и количество теплоты. Общий закон сохранения энергии, включающий все её формы, является эмпирическим законом. Он был открыт в середине XIX в. немецким врачом и физиком Робертом Майером (1814—1878), английским учёным Джеймсом Джоулем (1818—1889) и получил наиболее полную формулировку в трудах немецкого физика, математика и физиолога Германа Гельмгольца (1821 —1894).

Джоуль провёл множество различных экспериментов. В одном из них он измерял увеличение температуры ртути в калориметре при вращении лопастей, которые приводились в движение опускающимися грузами (рис. 7.8).

В начале и конце опыта грузы, лопасти и ртуть в калориметре находились в покое, так что их кинетическая энергия за время опыта не менялась.

Зная работу, совершаемую грузами при движении (она равна убыли потенциальной энергии грузов при их движении вниз), и измеряя увеличение температуры при трении лопастей о ртуть, Джоуль пришёл к следующему результату: при совершении работы 4,2 Дж происходит такое же повышение температуры, как и при сообщении телу количества теплоты, равного 1 кал (одной калории 1 ).

1 Под калорией понималось количество теплоты, которое нужно сообщить 1 г воды, чтобы увеличить его температуру на 1 °C. Таким образом, удельную теплоёмкость воды по определению принимали равной 1 кал/(г • °C).

Многочисленные опыты самого Джоуля и других учёных подтвердили сделанный вывод. Величина 4,2 Дж/кал (или, точнее, 4,1868 Дж/кал) получила название механического эквивалента теплоты: это переводной множитель из тепловых единиц в механические.

Опыты Джоуля и других учёных убедительно доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Опускаются гири, вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и температура ртути повышается на строго определённое число градусов. Падает молот па кусок свинца, и свинец нагревается вполне определённым образом. На основании подобных опытов был сформулирован закон сохранения энергии.

Энергия в природе не возникает из ничего и не может исчезнуть бесследно. Количество энергии неизменно, возможен лишь её переход от одного тела к другому или 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.

Макроскопические тела наряду с механической энергией обладают внутренней энергией — энергией, зависящей от внутреннего состояния тел. Так, при нагревании ртути в опытах Джоуля её внутренняя энергия увеличивалась за счёт уменьшения механической энергии опускающихся гирь. При работе паровой турбины, наоборот, механическая энергия появляется в результате уменьшения внутренней энергии пара. Внутренняя энергия макроскопических тел однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояния этих тел. Ранее мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от одного параметра — температуры.

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он показывает, от чего зависит изменение внутренней энергии термодинамической системы.

Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А’ системы над внешними телами. Учитывая, что А’ = —А (см. § 47 «Работа газа в термодинамике. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса»), первый закон термодинамики можно записать следующим образом:

Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Суть первого закона термодинамики состоит в утверждении: изменение внутренней энергии не зависит от процесса и определяется только начальным и конечным состояниями системы. Это означает, что внутренняя энергия — однозначная функция состояния системы (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется.

В случае изолированной системы над ней не совершается работа (А = 0), и она не обменивается энергией с окружающими телами (Q = 0). Согласно первому закону термодинамики, в этом случае ΔU = U₂ — U₁ = 0 или U₁ = U₂.

Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной (сохраняется).

В данном состоянии система всегда обладает определённой внутренней энергией. Как работа, так и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение энергии термодинамической системы в результате того или иного процесса. Внутренняя энергия системы может измениться одинаково как за счёт совершения системой работы, так и за счёт передачи окружающим телам какого-то количества теплоты.

Например, нагретый газ в цилиндре может уменьшить свою энергию, остывая, без совершения работы. Но он может потерять точно такую же энергию, перемещая поршень, без отдачи количества теплоты окружающим телам. Для этого стенки цилиндра и поршень должны быть теплонепроницаемыми.

Невозможность создания вечного двигателя.

Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская академия наук приняла в 1775 г. решение не рассматривать проекты вечных двигателей первого рода (от лат. perpetuum mobile — вечно движущееся). Впоследствии подобные решения были приняты ведущими научными учреждениями других стран.

Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или каких-либо других материалов, т. е. без затраты энергии.

Согласно первому закону термодинамики, если к термодинамической системе не подводится количество теплоты (Q = 0), то работа А’ в соответствии с уравнением (2) может быть совершена только за счёт убыли внутренней энергии: А’ = -ΔU. После того как запас внутренней энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Вопросы:

1. Какой вывод можно сделать на основе результатов опытов Джоуля?

а) закон сохранения энергии;

б) первый закон термодинамики.

Объясните их физический смысл.

3. Как записывается первый закон термодинамики?

4. Какое устройство называют вечным двигателем первого рода? Возможно ли его построение?

Вопросы для обсуждения:

Немецкий физик Рудольф Клаузиус в книге «Механическая теория тепла» (1864—1867) писал: «. Когда затрачивается теплота и вместо неё появляется работа, то можно сказать, что теплота превратилась в работу, и, наоборот, когда затрачивается работа и вместо неё появляется теплота, то можно сказать, что работа превратилась в теплоту. Пользуясь этим способом выражения, можно предыдущему предложению придать следующий вид: возможно превратить работу в теплоту и, наоборот, теплоту в работу, причём обе эти величины всегда пропорциональны друг другу».

Какой физический закон сформулировал Р. Клаузиус? Чему равен коэффициент пропорциональности между величинами, приведёнными в данном фрагменте, если они выражены в единицах СИ?

Пример решения задачи

Трамвайный вагон массой 12,5 т, имеющий скорость, модуль которой равен 28,8 км/ч, в результате торможения останавливается. На сколько градусов Цельсия нагреваются его 8 чугунных колодок, если масса каждой колодки равна 9 кг и на их нагревание затрачивается 60% кинетической энергии движущегося вагона?

В результате торможения трамвая происходит выделение количества теплоты. По условию задачи на нагревание колодок затрачивается 60% кинетической энергии:

Q — 0,6∣ΔE_k∣; Q — 0,6 • 400 000 Дж = 240 000 Дж.

Это количество теплоты расходуется на нагревание 8 чугунных колодок:

Подставляя числовые данные, получим:

Упражнения:

1. Автомобиль массой 1 т, движущийся со скоростью, модуль которой равен 36 км/ч. затормозил перед светофором. Какое количество теплоты выделилось при торможении?

2. Медный брусок соскальзывает по наклонной плоскости. График зависимости модуля скорости бруска от времени приведён на рисунке 7.9. Чему равна высота наклонной плоскости, если диск при движении нагрелся на 0,01 °C?

3. Рабочий забивает железный гвоздь массой 50 г в доску и ударяет молотком 20 раз. Масса молотка равна 0,5 кг, а модуль его конечной скорости равен 12 м/с. Насколько градусов Цельсия нагреется гвоздь, если считать, что всё выделяющееся при ударах количество теплоты расходуется на его нагревание?

4. Свинцовая пуля массой 10 г, летящая горизонтально со скоростью 500 м/с, попадает в ящик массой 0,5 кг, стоящий на гладкой горизонтальной поверхности, и пробивает его. Модуль скорости пули после удара уменьшился в 4 раза. Определите изменение температуры пули при её нагревании. При этом 15% количества теплоты, выделившегося при ударе, идёт на нагревание пули.

Это любопытно.

Из истории развития физики и техники

В 1798 г. английский учёный, военный и политический деятель Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) (1753—1814) наблюдал увеличение внутренней энергии тела без теплообмена, а только в результате совершения работы. При сверлении пушечного ствола, которое производили с помощью лошадей, вращавших большое тупое сверло, Румфорд успевал вскипятить поставленный на ствол котёл с водой. Он предположил, что вода нагревается в процессе совершаемой при сверлении работы. Румфорд пришёл к выводу, что теплота — это особый вид движения. Опыты Румфорда продолжил Гемфри Дэви (1778—1829). Он исследовал процессы, происходящие при трении двух кусков льда и пришёл к тому же выводу, что и его предшественник. При этом гипотеза теплорода не объясняет полученных результатов.

Опыты, доказывающие эквивалентность количества теплоты, переданного телу, и работы, были выполнены Джоулем в середине XIX в. Он первым осуществил точные измерения механического эквивалента теплоты. Майер фактически впервые чётко сформулировал закон сохранения энергии и вычислил механический эквивалент теплоты на основе сравнения теплоёмкостей газов при постоянном давлении и постоянном объёме. Во время пребывания в тропиках (о. Ява) в качестве судового врача Майер при эпидемии лёгочных заболеваний лечил моряков обычным в то время методом: обильным кровопусканием из вены руки. При этом он обратил внимание на то, что цвет венозной крови значительно светлее, чем при плавании в северных широтах. Её 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.

В 1847 г. Гельмгольц в работе «О сохранении силы» впервые математически обосновал закон сохранения энергии. Проанализировав большинство известных в то время физических явлений, он установил его всеобщность.

Закон Джоуля-Ленца и его применение

Современный человек привык к тому факту, что включив в розетку утюг, настольную лампу либо обычный кипятильник, техника сразу начнет отдавать тепловую энергию и свет. По какому же закону физики происходит данное действие? Объяснить это удалось Джеймсу Джоулю и Эмилю Ленцу. Результат их исследований получил название закона Джоуля-Ленца. На практике он помог достичь больших открытий в электромеханике.

Формулировка закона Джоуля-Ленца

Правило было обобщено и сформулировано на основе трудов двух физиков — британского и русского. Джоуль и Ленц свой закон вывели практически одновременно, но независимо друг от друга, поэтому он и был назван именами обоих ученых.

Формулировка закона хорошо иллюстрирует следующее: если на участок цепи пустить электричество, то провод начнет нагреваться. В бытовых условиях тепловое действие тока наблюдается в лампах накаливания и всех электроприборах. Если подключить устройство со спиралью на конце участка цепи в розетку, то она нагреется, и выделит тепло. Например, подключенный к электричеству сварочный аппарат начнет плавить электрод, электрический чайник или кипятильник нагреют воду, а настольная лампа наполнит комнату светом.

Кратко закон Джеймса Джоуля и Эмиля Ленца можно сформулировать так: количество выделяемой теплоты при нагревании полупроводника либо проводника прямо пропорционально определенному количеству времени, за которое происходит воздействие тока, плюс сопротивлению и квадрату рабочей силы электрического тока.

Физический смысл закона

Закон Джоуля-Ленца, с помощью которого определение количества тепла, выделяющегося при воздействии силы тока в проводнике, осуществляется достаточно просто, подтверждает также, что это количество напрямую зависит от сопротивления. Сам нагрев происходит в результате того, что свободные электроны, перемещаясь под действием электрополя, бомбардируют атомы молекул материала проводника. При этом они передают им собственную кинетическую энергию, преобразующуюся в тепловую.

Чем выше сила тока, тем большее количество электронов проходит через сечение проводника, и тем чаще происходят столкновения между ними и атомами. Соответственно, проводнику передается большое количество энергии, и он сильно нагревается.

В проводнике с большим сечением столкновений частиц будет намного меньше, следовательно, выделится меньше тепла. С учетом того, что между удельным сопротивлением любого проводника и его сечением существует обратно пропорциональная зависимость, можно сказать, что чем выше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Как видим, руководствуясь законом Джоуля-Ленца, можно сделать два вывода:

1. С увеличением сопротивления проводника, будет увеличиваться и количество выделяемой теплоэнергии. Иными словами, количество теплоты прямо пропорционально сопротивлению.
2. Выделившееся количество теплоты в проводнике за время прохождения тока, зависит от мощности последнего. Иными словами, если увеличивается мощность тока, то количество свободных электронов, проходящих через проводник за единицу времени, тоже будет увеличиваться.

Согласно закону сохранения энергии в физике, в проводнике под воздействием тока происходит преобразование кинетической энергии свободных заряженных частиц в тепловую внутреннюю энергию.

Уравнения закона в различных формах

Формулы, выведенные для закона Джоуля-Ленца, наглядно демонстрируют зависимость количества теплоты от сопротивления и мощности тока. Согласно этому закону, любой участок локальной цепи, пребывающий под воздействием электроэнергии, должен выделять тепло.

Уравнение в интегральной форме

При отсутствии на участке цепи каких-либо механических или химических процессов, требующих затрат электрической энергии, теплота, выделенная проводником, будет равна работе тока. То есть, Q = A.

Формулу для количества теплоты можно записать в таком виде:

С учетом того, что уравнение для напряжения участка цепи можно записывать через силу тока и сопротивление (закон Ома U = I×R), формула для количества теплоты имеет вид:

С помощью этой формулы закон Джоуля-Ленца выражается в интегральной форме.

Математически ее еще можно выразить так:

Уравнение в дифференциальной форме

Иногда бывает так, что величина силы тока остается неизвестной, однако существуют точные данные о том, какое на участке цепи напряжение. В этом случае также стоит воспользоваться законом Ома. Исходя из того, что I = U/R, можно представить формулу Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:

Следовательно, можно использовать два уравнения для определения количества тепла, выделяемого проводником, пребывающим под воздействием электротока. Но их применение возможно лишь для тех случаев, когда работа и мощность электрического тока расходуются исключительно на выделение тепла, а других потребителей энергии не существует. Единицей измерения выделенного тепла является джоуль: 1 Дж = 1 В × 1 А × 1 с.

Практическое применение закона в повседневной жизни человека
Закон Джоуля-Ленца наглядно применяется на практике при работе бытовых электрических приборов. Как всем известно, чтобы нагреть электрочайник, воспользоваться феном, утюгом или паяльником, необходимо превратить электричество в тепло. Свечение лампы накаливания происходит из-за наличия вольфрамовой нити, которая при высоком напряжении тока способна осветить все вокруг.

Стоит отметить, что получение теплоэнергии от электричества достаточно выгодно, так как помогает избежать энергопотерь. Достаточно лишь уменьшить силу тока, чтобы выровнять количество поступающего тепла от прибора. Также это повышает электробезопасность и регулирует нагрузку на сетевое напряжение.

Но нельзя допускать, чтобы проводник нагревался очень сильно. Под воздействием высокой температуры разрушается структура металла или, если говорить просто, он начинает плавиться. Это может стать причиной короткого замыкания, что в свою очередь приводит к выводу из строя элекрооборудования или даже пожару. Чтобы избежать коротких замыканий используются защитные блоки, предохранители и автоматические выключатели.

Применение закона на практике делает жизнь человека очень удобной, поэтому точно можно сделать вывод, что это в своем роде гениальное достижение, на котором держится вся электротехника. На сегодняшний день практически каждый бытовой прибор в любом доме работает на электричестве, и эта работа основывается на взаимосвязи силы тока и тепловой энергии. Главное, проводить правильные расчеты, чтобы не допускать перегрева деталей в устройстве.