Номер 3, страница 235 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 9. Основы термодинамики. Параграф 42. Количество теплоты. Первый закон термодинамики. Вопросы - номер 3, страница 235.

Условие.

3. Почему опыты Джоуля считают фундаментальными в истории физики?

Решение.

3. Опыты английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, проведенные в 1840-х годах, считаются фундаментальными, поскольку они экспериментально доказали эквивалентность механической работы и теплоты, что привело к формулировке закона сохранения энергии — одного из самых общих и важных законов природы.

До работ Джоуля в физике доминировала теория теплорода. Согласно этой теории, теплота представляла собой невесомую, неуничтожимую жидкость («теплород»), которая перетекает от более нагретых тел к менее нагретым. Механическая работа и теплота считались совершенно разными, не связанными друг с другом явлениями.

Джоуль провел серию знаменитых экспериментов, в которых он с высочайшей для своего времени точностью измерял, как механическая работа превращается в теплоту. В самом известном опыте опускающиеся под действием силы тяжести гири вращали лопасти, перемешивающие воду в изолированном сосуде (калориметре). За счет трения лопастей о воду последняя нагревалась. Джоуль измерял механическую работу, совершаемую гирями (потенциальную энергию, перешедшую в работу, $A = mgh$), и количество теплоты ($\text{Q}$), полученное водой ($Q = cm\Delta t$).

Проведя множество опытов с различными веществами (вода, ртуть, масло) и разными способами совершения работы (трение, сжатие газа, пропускание электрического тока), Джоуль установил, что для получения определенного количества теплоты всегда требуется совершить одно и то же количество механической работы. Он вывел количественное соотношение между работой и теплотой, которое называется механическим эквивалентом теплоты:

$A = J \cdot Q$

где $\text{A}$ — работа в джоулях, $\text{Q}$ — количество теплоты в калориях, а $\text{J}$ — механический эквивалент теплоты, численно равный примерно $4,18$ Дж/кал.

Эти результаты имели революционное значение. Во-первых, они опровергли теорию теплорода, показав, что теплота не является особой субстанцией, а представляет собой одну из форм энергии (конкретно, способ передачи энергии), связанную с изменением внутренней энергии тел. Во-вторых, они установили, что энергия не исчезает и не создается из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую (из механической в тепловую). Это стало экспериментальной основой для первого начала термодинамики — закона сохранения энергии. В-третьих, они объединили ранее разрозненные разделы физики — механику, термодинамику и учение об электричестве, — показав, что в основе всех явлений лежит единый принцип сохранения и превращения энергии.

Таким образом, опыты Джоуля заложили фундамент современной термодинамики и всего учения об энергии, изменив научную картину мира.

Ответ: Опыты Джоуля считают фундаментальными, потому что они экспериментально доказали, что теплота является формой энергии, установили количественную эквивалентность между механической работой и теплотой и легли в основу закона сохранения энергии (первого начала термодинамики), что объединило различные области физики и опровергло господствовавшую ранее теорию теплорода.