Номер 2, страница 152 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.3. Эквивалентность количества теплоты и работы - номер 2, страница 152.

Условие.

2. Опишите опыты Джоуля. Какой вклад результаты этих исследований внесли в развитие термодинамики?

Решение.

Опишите опыты Джоуля.

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль в середине XIX века провёл серию ключевых экспериментов, чтобы установить количественную связь между механической работой и количеством теплоты. Самый известный из этих опытов — эксперимент с мешалкой.

Экспериментальная установка состояла из теплоизолированного сосуда (калориметра) с водой, внутри которого находилась крыльчатка (мешалка). Крыльчатка была соединена через систему блоков и нитей с двумя грузами. Грузы могли опускаться под действием силы тяжести с определённой высоты, приводя тем самым крыльчатку во вращение.

Процесс эксперимента был следующим: при падении грузов их потенциальная энергия превращалась в механическую работу, которая затрачивалась на вращение крыльчатки. Вращающиеся лопасти перемешивали воду, и за счёт сил трения и вязкости механическая энергия переходила во внутреннюю энергию воды, что приводило к её нагреву. Джоуль с высокой точностью измерял: массу грузов ($\text{m}$), высоту их падения ($\text{h}$), массу воды в калориметре ($\text{M}$), а также начальную и конечную температуру воды ($T_{1}$ и $T_{2}$).

Совершённая работа $\text{A}$ вычислялась как изменение потенциальной энергии грузов ($A = mgh$), а количество теплоты $\text{Q}$, полученное водой, — по формуле $Q = cM(T_2 - T_1)$, где $\text{c}$ — удельная теплоёмкость воды. Повторяя эксперимент множество раз и используя различные методы (например, трение чугунных дисков, сжатие газа), Джоуль пришёл к выводу, что между совершённой работой и выделившимся количеством теплоты существует строгая пропорциональная зависимость $A = JQ$. Коэффициент пропорциональности $\text{J}$ получил название механического эквивалента теплоты.

Ответ: Опыты Джоуля заключались в экспериментальном определении количественной связи между механической работой и количеством теплоты. В классической установке механическая работа, совершаемая падающими грузами, преобразовывалась во внутреннюю энергию воды в калориметре за счет вращения в ней мешалки. Измеряя совершенную работу и вызванное ею повышение температуры воды, Джоуль доказал их прямую пропорциональность и вычислил механический эквивалент теплоты.

Какой вклад результаты этих исследований внесли в развитие термодинамики?

Результаты исследований Джоуля имели революционное значение и внесли фундаментальный вклад в развитие термодинамики.

Во-первых, они стали решающим экспериментальным доказательством закона сохранения и превращения энергии. Было неопровержимо показано, что теплота является не особой субстанцией («теплородом»), а одной из форм энергии. Это открытие легло в основу первого начала термодинамики, которое является формулировкой закона сохранения энергии для термодинамических процессов: $\Delta U = Q + A'$, где $\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ – количество теплоты, переданное системе, а $A'$ – работа, совершённая внешними силами над системой.

Во-вторых, был установлен механический эквивалент теплоты. Джоуль количественно определил, что для получения 1 калории тепла требуется совершить работу, равную примерно 4,18 Джоулям. Это позволило связать воедино механические и тепловые явления и измерять работу и количество теплоты в одних и тех же единицах (в СИ — джоулях), что унифицировало физические концепции.

В-третьих, опыты Джоуля нанесли окончательный удар по господствовавшей в то время теории теплорода, согласно которой теплота считалась некой невесомой, неуничтожимой жидкостью. Эксперименты, в которых теплота генерировалась из работы, доказали ошибочность этой теории.

Ответ: Главный вклад исследований Джоуля в развитие термодинамики заключается в том, что они экспериментально обосновали первое начало термодинамики — закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Его опыты доказали, что теплота является формой энергии, а не особой субстанцией, опровергли теорию теплорода и установили количественное соотношение между работой и теплотой (механический эквивалент теплоты), что стало основой всей современной термодинамики.