Question

В каком опыте Джоуль экспериментально определил механический эквивалент теплоты. (кратко)

Answer 1

Установка опыта Джоуля состояла из медного сосуда (калориметра), закрывающегося медной герметично привинчивающейся к сосуду крышкой. В крышке имелись две трубки: в первую трубку вставляли термометр, во вторую трубку помещали деревянный стержень, на который были насажены лопатки. Движущиеся лопатки перемежались с неподвижными для увеличения силы трения. Сосуд заполняли водой, а лопатки приводили во вращение. Из-за трения вода и лопатки нагревались. Во вращение лопатки приводились с помощью двух массивных грузов, подвешенных через блоки на тонком шпагате. Опускаясь, грузы раскручивали центральный вал, который вращал стержень с лопатками. Теплоизоляция была минимальной – сосуд устанавливался на деревянную подставку, в которой имелись щели. Опыт проводился в просторном подвале, в котором отсутствовали колебания температуры.
В начале эксперимента центральный вал был прикреплен к стержню, грузы удерживали в подвешенном состоянии с помощью рамы, определяли их положение над поверхностью Земли и измеряли начальную температуру воды. Затем вал освобождали, он начинал раскручиваться и вращался до тех пор, пока грузы не достигали пола лаборатории. Они перемещались на расстояние примерно 63 дюйма. Лопатки при этом вращались, и вода в сосуде нагревалась. Ее температуру измеряли. После этого вал опять устанавливали на подставку, грузы поднимали, а затем отпускали. Опыт повторяли 20 раз, измеряя температуру в начале, в середине и в конце каждого эксперимента. За час работы температура повышалась примерно на 0,5 °С.
Джоуль вычислял работу, которая была совершена при перемещении гирь и количество теплоты, полученной сосудом, водой в сосуде, лопатками и др. Затем он сравнил это количество теплоты и работу, совершенную при падении гирь. Отношение совершенной работы (A) к количеству теплоты (Q), т. е. механический эквивалент теплоты (A / Q) получился равным 4,5 Дж/кал. Впоследствии значение этой величины определялось другими методами, например, при измерении количества теплоты, выделявшегося при продавливании воды сквозь узкие трубы, и уточнялось. Сейчас его принимают равным 4,18 Дж/кал.
Таким образом, Джоуль показал, если нагревать тело, совершая над ним механическую работу, количество теплоты, полученной телом, пропорционально количеству затраченной работы и не зависит от способа, которым эта работа произведена.