§ 5.3. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ И РАБОТЫ
Исторический процесс изучения тепловых явлений, приведший к формулировке закона сохранения энергии, был длительным и трудным. До середины XIX в. развитие механики и теории тепловых явлений шло в основном независимо.
Различны были ме-тоды исследования механических и тепловых явлений, способы измерения и единицы таких величин, как работа и количество теплоты. Огромный прогресс в представлениях о природе теплоты был достигнут тогда, когда было доказано, что при теплообмене сохраняется энергия, а не особое вещество — теплород.Нагревание тела, как показали эксперименты, может происходить без сообщения ему какого-либо количества теплоты, а только за счет совершения работы. Убедиться в этом нетрудно. Возьмите обыкновенную резинку и энергично потрите ею о стол. Приложив после этого резинку к щеке, вы обнаружите, что она нагрелась.
В больших масштабах наблюдал подобное явление еще в 1798 г. Б. Румфорд. При сверлении пушечного ствола, которое производили с помощью лошадей, вращавших большое тупое сверло, Румфорд успевал вскипятить поставленный на ствол котел с водой. Румфорд предположил, что вода нагревается в процессе совершаемой при сверлении работы.
Известно, что без смазки, уменьшающей трение, работа сил трения приводит к такому нагреванию, что плавятся подшипники (например, у коленчатого вала автомобиля). В современных быстрорежущих сверлильных и токарных станках нагрев сверл и резцов настолько велик, что для их охлаждения применяют специальные жидкости.
С помощью трения сухих кусочков дерева можно добыть огонь, т. е. нагреть дерево до температуры, превышающей температуру его воспламенения. Это умело использовали первобытные люди.
Перечисленные выше и подобные им многочисленные опыты показали, что количество теплоты сохраняется только при теплообмене, когда не совершается работа. Количество теплоты не является неуничтожимой и несотворимой жидкостью, оно представляет собой величину, родственную работе.
Одинаковое повышение температуры тела может быть вызвано как пе- редачей некоторого количества теплоты Q, так и совершением определенной работы А. Но работа в механике равна изменению энергии системы. Поэтому количество теплоты, как и работу, надо считать мерой изменения энергии системы и выражать ее в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях.Опыты Джоуля
Первые точные опыты, доказывающие эквивалентность количества теплоты, переданного телу, и работы, были выполнены английским ученым Д. Джоулем в середине XIX в.
Интерес к проблеме впервые возник у Джоуля из знакомства с электрическими двигателями, которые только что были изобретены. Джоуль был человеком весьма практического склада ума, и его увлекла идея создать вечный источник энергии. Он изготовил вольтову батарею, запустил от нее примитивный электродвигатель собственной конструкции и увидел, что получить нечто из ничего не удается: цинк в батарее съе-дался и замена его обходилась довольно дорого. (Позже Джоуль доказал, к своему собственному удовольствию, что прокормить лошадь всегда дешевле, чем менять цинк в батареях, так что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем.) Это побудило Джоуля исследовать связь между теплотой и энергией всех видов, и он решил выяснить, существует ли точное количественное соотношение между теплотой и механической энергией.
Джоуль Джеймс Прескотт (1818— 1889) — выдающийся английский физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии. Джоуль первым осуществил очень точные измерения механического эквивалента теплоты. Наряду с Э. X. Ленцем установил закон для определения количества теплоты, выделяемой электрическим током (закон Джоуля—Ленца).
Джоуль провел много различных экспериментов. В одном из них он измерял увеличение температуры ртути в калориметре при вращении лопастей, которые приводились в движе-
Рис. 5.7 Рис. 5.8
ниє опускающимися грузами (рис. 5.7). В начале и конце опыта грузы, лопасти и ртуть в калориметре (рис.
5.8) находились в покое, так что их кинетическая энергия за время опыта не менялась. Зная работу, совершаемую грузами при движении , и измеряя увеличение температуры при трении лопастей о ртуть, Джоуль пришел к следующему результату: при совершении работы 4,2 Дж происходит такое же повышение температуры, как и при сообщении телу количества теплоты, равного 1 кал.Механический эквивалент теплоты
Многочисленные последующие опыты самого Джоуля и других ученых подтвердили сделанный вывод. Было экспериментально доказано, что калория есть не что иное, как тепловая единица энергии. Величина 4,2 Дж/кал (или, точнее, 4,1868 Дж/кал) получила название механического эквивалента теплоты: это переводной множитель из тепловых единиц в механические**.
В СИ количество теплоты выражают в джоулях, а удельную теплоемкость — в джоулях на килограмм- кельвин. Для воды удельная теплоемкость примерно равна 4190 ДжДкг • К).
Количество переданной теплоты оказалось эквивалентным работе: механический эквивалент теплоты 4,2 Дж/кал.