Quel est l'équivalent mécanique de la chaleur?

Il Équivalent de chaleur mécanique C'est la valeur du travail mécanique nécessaire pour augmenter la température d'un gramme de 14 eaux.5 ºC à 15.5 ºC. Actuellement, cet équivalent a une valeur de 4 186 Joule, qui a été créé en 1920.

Au début du 19e siècle, la thermodynamique et la mécanique étaient considérées comme deux domaines scientifiques totalement indépendants. Le mérite de Joule devait démontrer qu'il existe un lien entre le transfert d'énergie pour le travail et le transfert de chaleur par chaleur.

La chaleur spécifique de l'eau permet aux tasses à thé d'être chaudes pendant un temps considérable

Joule a également contribué à établir la loi sur la conservation de l'énergie qui constitue la première loi de la thermodynamique. Cette loi se réfère à l'énergie interne (U) d'un système, où elle indique que sa preuve ne peut être modifiée que par le travail et la chaleur exercés par le système ou sur le système.

L'idée que la chaleur et le travail sont équivalents ont été proposés par Julius Robert von Mayer en 1842, et indépendamment par James Joule, en 1843. Cela a créé une controverse sur qui avait établi la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur, qui a été résolu en faveur de Joule en 1864.

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Aspects historiques

Eau et chaleur

En 1792, Benjamin Thompson, comte Rumford, publié dans la transaction philophique, un ensemble de résultats expérimentaux qui indiquait une relation entre la friction ressentie par l'eau et la production de chaleur. Cette signalisation a produit un changement dans des idées connues sur la chaleur.

Travail mécanique et chaleur

Par la suite, les expériences de James Prescott Joule (1818-1889) sur l'équivalence du travail et de la chaleur ont contribué à l'établissement d'une théorie cinétique qui a établi une relation entre le travail mécanique et la chaleur.

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Cette théorie calorique contrevenait, qui indiquait que la chaleur était un fluide qui passait d'un système à un autre, produisant une augmentation de la température.

En 1840, Joule a établi que la quantité de chaleur produite dans l'eau par un courant électrique était proportionnelle à la résistance électrique et carrée du courant électrique (intensité).

Plus tard, en 1842, von Mayer a publié l'existence d'une relation entre le travail mécanique et la chaleur. Cependant, cette même relation a été publiée indépendamment par Joule en 1843. Cette même année, Jules a publié sa valeur pour l'équivalent mécanique de la chaleur. Pendant ce temps, Julius Von Mayer l'a fait en 1845, bien qu'il ait été souligné que la base expérimentale de son résultat n'était pas convaincante.

Introduction de l'équivalent

En 1845, Joule a publié un emploi intitulé "L'équivalent mécanique de la chaleur", une publication où il a présenté une valeur numérique pour l'équivalent de 772.24 livres debout (4.1550 Joule · Cal^-1). Ces expériences ont montré une relation entre la friction et la chaleur générée.

En 1920, la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur à 4 a été corrigée.186 J / g d'eau, puis définissant cette valeur comme la quantité de travaux mécaniques nécessaires pour varier la température d'un gramme de 14 eau.5 ºC à 15.5 ºC.

En 1852, Joule et William Thompson ont découvert que lorsqu'un gaz étend son volume, sans effectuer de travaux externes, il y a une diminution de sa température. L'effet appelé Joule-Thompson a servi de base à la création d'une industrie de la réfrigération dans l'Angleterre du XIXe siècle.

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Joule Experiment

Procédure

L'expérience qui a permis à Joule.

Le conteneur a un couvercle qui permet l'insertion d'un thermomètre et un support pour les palettes qui remueront l'eau. Le support se compose d'une manivelle et d'une bobine de fil dans laquelle les fils qui ont lié chacune des deux masses utilisées dans l'expérience sont incorporées.

De même, la partie du soutien immergé dans l'eau est équipée de palettes qui servent à le remuer. Enfin, l'appareil est fourni avec deux règles, une pour chaque masse, avec laquelle la variation de leur hauteur pendant l'expérience est déterminée.

Lorsque les masses tombent, elles tournent le soutien et les palettes qui y sont attachées, produisant une agitation de l'eau qui se traduit par la chaleur et l'augmentation de sa température, une conséquence de la friction entre les palettes et l'eau.

À travers la manivelle, les masses montent et le processus se répéte plusieurs fois, jusqu'à la production d'une variation appréciable de la température. La vidéo suivante montre le fonctionnement de cette expérience:

Calculs

Le travail mécanique effectué lorsque les deux poids chutent est un produit de la perte d'énergie potentielle:

W = n · m · g · h (perte d'énergie potentielle lors de la fabrication de masses)

Où n sont les temps où la chute des masses est répétée, w le travail mécanique pour déplacer les palettes, les masses, g l'accélération de la gravité, et la hauteur parcourue par les masses en tombant.

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La chaleur produite par l'action des palettes sur l'eau, une conséquence de la chute des masses, est donnée par l'expression:

Q = (m + w^') (T₂ - T₁)

Où est la chaleur produite, la masse de l'eau, l'équivalent en chaleur du calorimètre, et t₂ - T₁ variation de température.

L'équivalent mécanique de la chaleur est ensuite donné par la relation:

J = w / q

Ce qui sera le même:

J = n · m · g · h / [(m + w ') · (t₂ - T₁)]

= 4186 J / Kcal

Chaleur spécifique

Capacité thermique d'une substance

C'est la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'une substance en 1 ºC:

C = q / Δt

Où c est la capacité thermique, q la quantité de chaleur absorbée et Δt la variation de température.

Chaleur spécifique d'une substance

La chaleur spécifique est la capacité calorique d'une substance par unité de masse:

Ce = q / m · Δt

Où ce est la chaleur spécifique.

La chaleur spécifique de l'eau (à 15 ºC) est la même 4.186 J / kg · ºC. Ensuite, la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur correspond à la valeur de la chaleur spécifique de l'eau.

Les références

1. SERAY, R. POUR. Et Jewett, J. W. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume I. Septième édition. Éditorial Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chimie. (8e Ed.). Cengage Learning.
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