Механический эквивалент теплоты. Опыты Джоуля

Изучение тепловых явлений, необходимость в определении количества теплоты потребовали введения единицы для его измерения – калории (столько теплоты требуется для нагревания 1 г воды на 1 ˚C). Однако в результате осмысления теплоты как энергии надобность в этой единице измерения отпала. Тем не менее она сохранилась и употребляется. Чтобы узнать, какое нагревание произойдет при совершении определенной работы, было выполнено много разных опытов. Одним из первых, кто такие опыты произвел, был Джоуль. Они были начаты в 1847 г. Вкратце эти опыты состояли в следующем.

В цилиндре с водой вращались лопасти, приводимые в движение парой сил, создаваемых двумя гирями. По высоте, с которой опускались эти гири, вычислялась механическая работа. Эта работа шла на нагрев воды, лопастей и стенок цилиндра. Стенки цилиндра с хорошим приближением были адиабатической оболочкой. Состояние воды в покое определяется давлением и температурой. В опытах давление оставалось постоянным. Кстати, небольшое изменение давления практически не сказывается на внутренней энергии воды ввиду малой сжимаемости жидкостей. Единственный параметр, определяющий состояние воды, – это температура. Она измерялась до и после опускания гирь. В результате 10–20 опусканий гирь за период около 1 ч температура воды повышалась всего примерно на 0,5 ˚C, но Джоуль пользовался достаточно хорошим термометром. Условия опытов подвергались изменениям. Менялись количество наливавшейся воды, вес гирь и высота, с которой они опускались, момент действующей силы и т. д.

Опыты Джоуля доказали, что механическая работа, которую необходимо затратить для перевода системы из одного состояния в другое не зависит от способа этого перевода. Вода в калориметре Джоуля всегда нагревалась, но никогда не охлаждалась. Эти опыты позволили Джоулю установить механический эквивалент теплоты: 1 кал» 4,2 Дж, только на 0,5 % меньше общепринятого значения. Применяется международная килокалория, содержащая, по определению, 4,1868 кДж.