11-1 Mechanický ekvivalent tepla

11-1 Mechanický ekvivalent tepla

V predchádzajúcich kapitolách našej knihy sme videli, že trecie sily postupne spotrebúvajú mechanickú energiu systémov, a nakoniec sa dostaví stav pokoja. Aký môže byť vzťah medzi mechanickou energiou stratenou v dôsledku trenia a teplom, ktoré pri tom vzniká? Na túto otázku dal odpoveď v polovine 19-ho storočia anglický fyzik James P. Joule¹ (1818-1889) pomocou jeho slávneho experimentu, v ktorom skúmal premenu mechanickej energie na teplo. Schematický náčrt Joulovho prístroja je znázornený na obrázku 11.1; nádrž naplnená vodou, s otáčavou oskou, s lopatkami na oske. Aby sa voda nemohla točiť v nádobe s otáčajúcimi sa lopatkami, na stenu nádoby namontoval brzdiace lopatky. S lopatkami vybavenú os otáčalo závažie visiace na vlákne, a tak práca konaná gravitáciou na klesajúcom závaží sa premenila vo vode, v dôsledku trenia, na teplo. Poznajúc množstvo vody a zvýšenie jej teploty, Joule vedel vypočítať vzniklé teplo; tiaž závažia. Na druhej strane dĺžka dráhy, po ktorej klesalo zase určilo množstvo mechanickej energie. Experiment zopakoval za rôznych podmienok mnohočetne, a konštatoval, že medzi týmito dvomi veličinami je priama úmera, a že „práca, ktorú vykonalo 1 fontové závažie v Manchesteri na 772 stopách, pričom v dôsledku trenia vyrábalo vo vode teplo, zvýšila teplotu 1 fontu vody o 1 stupeň Fahrenheitu“. Toto všetko prepočítané na metrické jednotky znamená, že 1 kalória je rovnocenná s  4,184 J práce.

Joulove výsledky potvrdili predstavu, ktorú v tú dobu začali skúmať vážnejšie, že teplo – rovnako ako mechanická energia – je energia, a jednotlivé formy energie (kinetická, potenciálna, tepelná, chemická a pod.) sa síce môžu premeniť jedna v druhú, v uzavretom systéme telies alebo látok sa však celková energia zostáva nemenná. (Uzavretosť sa má chápať tak, že systém pritom zvonka nedostane energiu, respektíve z neho nemôže odchádzať energia.) Jedná sa o zákon zachovania energie, jednu z nosných pilierov fyziky, ktorú inými slovami nazývame prvou vetou termodynamickou.

Na Zemi je osudom každej formy energie (aj elektrickej a iných druhov), že v konečnom dôsledku sa premení na teplo. Ak natiahneme mechanické hodiny, konaná práca je dočasne uchovaná ako potenciálna energia v stočenej pružine, premieňa sa postupne na mechanický pohyb súčiastok hodín, teda na kinetickú energiu, ale v dôsledku trenia potom na teplo. Druhý príklad: vietor je brzdený stromami a zemou a jeho úžasná kinetická energia sa premení na teplo.

Predpokladajme, že natiahnutie hodiniek s hmotnosťou 30 gramov vyžaduje presne 1 joule práce. Ak tieto hodinky umiestnime do dokonale izolovaného kalorimetra, o koľko sa zohrejú, než dotikajú? Práca veľkosti 1 joule je rovnocenná teplu 1 J, a toľko tepla zahreje 30 gramov oceľovej konštrukcie. Ak merné teplo oceli je 0,42 J/g⋅°C, potom 0,42 J tepla zohreje 1 g oceli o 1 °C. 1 J tepla zohreje 1 g o 2,4 °C a 30 gramov oceli sa zohreje o 2,4∕30 = 0,08 °C.

Toto je veľmi malé zvýšenie teploty, ale v našom príklade sme vyšli tiež z veľmi malej práce. Dostávame podstatne väčšie hodnoty, ak sa pýtame na teplo vyvinuté pri zabrzdení automobilu s hmotnosťou 2000 kg z rýchlosti 72 km/h. Rýchlosť 72 km/h = 20 m/s a pohybová energia automobilu je potom

čo je rovnocenné teplu 400000 J. Toto teplo by bolo schopné zohriať z 0 °C na 100 °C skoro 1 kg (presnejšie 957 g) vody.