จุดเริ่มต้นของทัศนะเชิงกล ตอนที่ 8 - อัตราของการแลกเปลี่ยน

เมื่อน้อยกว่าหนึ่งร้อยปีมาแล้วเมเยอร์ได้คาดเดาเงื่อนงำใหม่ซึ่งนำไปสู้แนวความคิดที่ว่าความร้อนเหมือนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน และจูลได้ยืนยันในเชิงการทดลอง เป็นการบังเอิญอย่างน่าประหลาดว่างานที่เป็นพื้นฐานเกือบทั้งหมดที่เกี่ยวกับธรรมชาติของความร้อนถูกกระทำโดยนักฟิสิกส์ที่ไม่ใช่มืออาชีพผู้ซึ่งมองว่าฟิสิกส์เหมือนเป็นเพียงงานอดิเรกที่ดีเยี่ยมของเขาเท่านั้น มีแบลกชายชาวสกอตที่เชี่ยวชาญหลายด้านเมเยอร์ซึ่งเป็นแพทย์ชาวเยอรมัน และเคานท์รัมฟอร์ดนักผจญภัยชาวอเมริกันผู้ยิ่งใหญ่ ซึ่งต่อมาไปอาศัยอยู่ในยุโรป และในบรรดากิจกรรมอื่น ๆ ก็คือได้เป็นรัฐมนตรีสงครามของบาวาเรีย มีจูลผู้ผลิตชาวอังกฤษเบียร์ด้วยผู้ซึ่งในเวลาว่างของเขาได้ทำการทดลองที่สำคัญที่สุดจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวกับการอนุรักษ์ของพลังงาน

จูลได้ยืนยันการคาดเดาที่ว่าความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานว่าเป็นเช่นนั้นจริงโดยการทดลองและได้กำหนดอัตราของการแลกเปลี่ยน มันคุ้มค่ากับเวลาของเราที่จะดูแค่ว่าผลลัพธ์ของเขาคืออะไร

พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของระบบเมื่อรวมเข้าด้วยกันประกอบเป็นพลังงานกลของมัน ในกรณีของโรลเลอร์ - โคสเตอร์เราได้คาดเดาว่าพลังงานกลจำนวนหนึ่งถูกเปลี่ยนรูปให้เป็นความร้อน ถ้าสิ่งนี้ถูกต้องในที่นี้และในกระบวนการเชิงฟิสิกส์ที่คล้าย ๆ กันอื่น ๆ ทั้งหมดจะต้องมีอัตราของการแลกเปลี่ยนที่ชัดเจนแน่นอนระหว่างทั้งสอง นี่เป็นปัญหาเชิงปริมาณอย่างถูกต้องที่สุด แต่ข้อเท็จจริงที่ว่าปริมาณของพลังงานกลที่กำหนดให้อาจถูกเปลี่ยนไปเป็นปริมาณความร้อนที่ชัดเจนแน่นอนได้นั้นสำคัญมากเราอยากรู้ว่าตัวเลขอะไรที่ แสดงอัตราของการแลกเปลี่ยนนั่นคือความร้อนเท่าไรที่เราได้จากปริมาณของพลังงานกลที่กำหนดให้

การกำหนดแน่นอนตัวเลขนี้เป็นจุดมุ่งหมายของการศึกษาวิจัยของจูล กลไกของการทดลองหนึ่งของเขาคล้าย ๆ กลไกของนาฬิกานำหนักมากการไขลานของนาฬิกาเช่นนี้ประกอบด้วยการยกน้ำหนักสองอันขึ้น ดังนั้นจึงเพิ่มพลังงานศักย์ให้กับระบบ ถ้าไม่มีการเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับนาฬิกานี้อีกมันอาจจะถูกมองว่าเป็นระบบปิด น้ำหนักค่อย ๆ ตกและนาฬิกาก็เดิน ที่ตอนจบของเวลา ๆ หนึ่งน้ำหนักจะไปถึงตำแหน่งที่ต่ำที่สุดของมันและ

นาฬิกาจะหยุด เกิดอะไรขึ้นกับพลังงาน? พลังงานศักย์ของน้ำหนักได้เปลี่ยนไปเป็นพบลังงานจลน์ของกลไกแล้วจึงค่อย ๆ ถูกทำให้หายไปเป็นความร้อน

การเปลี่ยนแปลงที่ฉลาดในกลไกแบบนี้ทำให้จูลสามารถวัดความร้อนที่สูญหายไปได้และดังนั้นจึงได้อัตราของการแลกเปลี่ยนในอุปกรณ์ของเขานำหนังสองอันทำให้กงล้อกังหันหมุนในขณะที่ถูกจุ่มอยู่ในน้ำ พลังงานศักย์ของน้ำหนักเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ของส่วนที่สามารถเคลื่อนไหวได้และจากนั้นไปเป็นความร้อน ซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิของน้ำขึ้น จูลได้วัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและใช้ประโยชน์จากความร้อนจำเพาะของน้ำ ที่เป็นที่รู้กันโดยทั่วไปคำนวณหาปริมาณของความร้อนที่ถูกซึมซับเข้าไป เขาได้สรุปผลการทดลองจำนวนมากไว้ดังนี้ :

ข้อแรก ปริมาณของความร้อนที่เสียดทานของวัตถุต่าง ๆ ไม่ว่าของแข็งหรือของเหลวทำให้เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณของแรง [คำว่าแรงจูลหมายถึงพลังงาน] ที่ถูกใช้ไปเสมอและ

ข้อสอง ปริมาณของความร้อนที่สามารถเพิ่มอุณหภูมิของน้ำหนึ่งปอนด์ (ชั่งในสุญญากาศที่ระหว่าง 550 และ 600) ขึ้น 10 ฟาเรนไฮต์ได้ที่ต้องใช้สำหรับการแปรรูปของมัน จำนวนที่ใช้ไปของแรงเชิงกล [พลังงาน] ถูกแสดงออกมาโดยการตกของ 772 ปอนด์ ผ่านระยะทางหนึ่งฟุต

พูดอีกอย่างหนึ่งก็คือพลังงานศักย์ของ 772 ปอนด์ ที่ถูกยกขึ้นหนึ่งฟุตเหนือพื้นดินมีค่าเท่ากับปริมาณของความร้อนที่จำเป็น ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำหนึ่งปอนด์ขึ้นจาก 550 F ไปเป็น 560 F การทดลองในเวลาต่อมาสามารถได้ความถูกต้องแม่นยำมากขึ้นมาบ้าง แต่โดยเนื้อแท้แล้วเชิงกลที่มีค่าเท่ากับความร้อนเป็นสิ่งที่จูลค้นพบในงาน บุกเบิกของเขา

พอทำงานสำคัญชิ้นนี้เสร็จแล้วความก้าวหน้าอื่น ๆ ก็เร็ว ในไม่ช้าก็ได้รับการยอมรับว่าพลังงานประเภทนี้คือเชิงกลและความร้อนเป็นเพียงสองในหลาย ๆ รูปแบบของมัน ทุกสิ่งทุกอย่างซึ่งอาจถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งในสองรูปแบบนี้ได้ จะเป้นพลังงานรูปแบบหนึ่งด้วย รังสีที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาเป็นพลังงาน เนื่องจากส่วนหนึ่งส่วนหนึ่งถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นความร้อนบนโลก กระแสไฟฟ้าก็มีพลังงานเนื่องจากมันทำให้สายไฟร้อนเหมือนหมุนกงล้อของมอเตอร์ ถ่านหินแสดงพลังงานเคมีซึ่งถูกปลดปล่อยเป็นความร้อนเมื่อถ่านหินไหม้ไฟ ในทุก ๆ เหตุการณ์ในธรรมชาติพลังงานรูปแบบหนึ่งถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ที่อัตราของการแลกเปลี่ยนที่ระบุไว้อย่างชัดเจนอัตราหนึ่งเสมอ ในระบบปิดซึ่งเป็นระบบที่ถูกแยกไว้อยู่โดเดี่ยวจากอิทธิพลภายนอกพลังงานจะ อนุรักษ์และจึงประพฤติตัวเหมือนเป็นสสาร ผลบวกของรูปแบบต่าง ๆ ของพลังงานที่เป็นไปได้ทั้งหมดในระบบเช่นนี้จะคงตัวแม้ว่าปริมาณของประเภทหนึ่งไม่ว่าประเภทไหนอาจจะกำลังเปลี่ยนแปลง ถ้าเราถือว่าเอกภพทั้งหมดเป็นระบบปิด เราอาจป่าวประกาศอย่างภาคภูมิใจกับนักฟิสิกส์ในศตวรรษที่สิบเก้าได้ว่าพลังงานของเอกภพไม่เปลี่ยนแปลงนั่งคือไม่มีส่วนใดของมันแม้แต่ส่วนเดียวที่จะถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายได้

ดังนั้น แนวความคิดเกี่ยวกับสสารสองแนวของเราคือ สสารและพลังงาน ทั้งสองเป็นไปได้ตามกฎการอนุรักษ์คือ ระบบที่ถูกแยกไว้โดเดี่ยวไม่อาจถูกเปลี่ยนแปลงทั้งมวลและพลังงานทั้งหมดได้ วัตถุมีน้ำหนักแต่พลังงานไม่มีน้ำหนัก ดังนั้นเรามีแนวความคิดที่ต่างกันสองแนวและกฎการอนุรักษ์สองกฎ เรายังคงเอาจริงจังกับความคิดเหล่านี้หรือไม่? หรือภาพจินตนาการที่ดูเหมือนว่ามีเหตุผลสนับสนุนพอเพียงนี้ จะถูกเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการพัฒนาที่ใหม่กว่าหรือไม่? มันถูกเปลี่ยน! การเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ในแนวความคิดทั้งสองถูกโยงเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพ เราจะกลับมาพูดประเด็นนี้ในภายหลัง