Номер 2, страница 57 - гдз по физике 8 класс учебник Изергин

Глава I. Тепловые явления. Параграф 9. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах - номер 2, страница 57.

Условие.

2. Используя рисунок 36, опишите опыт Джоуля.

Решение.

2. Опыт Джеймса Джоуля, проведённый в 1840-х годах, был направлен на установление количественной связи между механической работой и количеством теплоты, то есть на определение механического эквивалента теплоты. Этот эксперимент стал ключевым доказательством закона сохранения энергии.

Установка для опыта состояла из теплоизолированного сосуда (калориметра), наполненного водой, в который был помещен вал с лопастями (крыльчатка). Этот вал приводился во вращение двумя грузами, которые опускались под действием силы тяжести. Падение грузов заставляло вращаться крыльчатку, которая, в свою очередь, перемешивала воду. Температура воды измерялась с помощью точного термометра.

Процесс эксперимента был следующим: сначала измеряли начальную температуру воды $T_1$. Затем грузы известной массы $\text{m}$ поднимали на известную высоту $\text{h}$ и отпускали. Падая, они приводили во вращение крыльчатку. Трение между лопастями и водой приводило к нагреванию воды. Этот процесс падения грузов повторяли многократно ($\text{n}$ раз), чтобы получить заметное изменение температуры. После этого измеряли конечную температуру воды $T_2$.

Совершённая грузами механическая работа $\text{A}$ рассчитывалась как изменение их потенциальной энергии: $A = 2 \cdot mgh \cdot n$. Количество теплоты $\text{Q}$, полученное водой, вычислялось по формуле $Q = c_в m_в (T_2 - T_1)$, где $c_в$ — удельная теплоёмкость воды, а $m_в$ — её масса (для простоты пренебрегаем нагреванием самого калориметра).

Джоуль обнаружил, что совершённая работа $\text{A}$ прямо пропорциональна полученному количеству теплоты $\text{Q}$. Основываясь на законе сохранения энергии, он приравнял работу и теплоту ($A = Q$) и смог вычислить, какое количество механической работы эквивалентно единице количества теплоты. Так было доказано, что теплота — это форма энергии, и был найден механический эквивалент теплоты.

Ответ: Опыт Джоуля заключается в следующем: в теплоизолированном сосуде с водой (калориметре) вращается крыльчатка, приводимая в движение падающими с высоты $\text{h}$ грузами массой $\text{m}$. Механическая работа $\text{A}$, совершаемая силой тяжести при падении грузов ($A = 2mghn$ за $\text{n}$ падений), за счет трения переходит во внутреннюю энергию воды, вызывая ее нагревание. Измерив изменение температуры воды $\Delta T$, вычисляют полученное ею количество теплоты $Q = c_в m_в \Delta T$. Эксперимент доказывает, что работа переходит в теплоту, и позволяет найти их количественное соотношение — механический эквивалент теплоты.