Горизонты техники для детей, 1974 №10

Как Джеймс Джоуль изучал превращение механической энергии в теплоту

Джеймс Прескотт Джоуль, родившийся 24 декабря 1914 года, считается одним из величайших английских физиков. Больше всего это интересовала природа теплоты и превращения разных видов энергии в тепловую. Исследования в этой облает принесли ему заслуженную славу.

Джоуль не был первым физиком, занимавшимся этими вопросами. Еще до него установили в результате многочисленных опытов, что теплота, электричество, магнетизм, химическая и кинетическая энергия — это не обособленные явления. Несмотря на существенные различия между ними, все они представляют собой виды энергии, т. е. способны совершать работу и превращаться одна в другую.

Очередной задачей, которую поставили перед собой физики, было определение законов, управляющих превращением одного вида энергии в другой. Джеймс Джоуль занимался как раз этой проблематикой. Он изучал прежде всего два явления: выделение тепла в проводнике при прохождении по нему электрического тока и получением теплоты за счет механической работы. Сегодня мы расскажем вам об экспериментах, которые ставил Джоуль, чтобы выяснить второе явление.

В середине XIX века, т. е. во времена Джоуля, ученые часто черпали свои идеи из наблюдений за работой промышленного оборудования. Один из предшественников Джоуля, Майер, пытался определить закон, управляющий превращением механической энергии в теплоту, пользуясь устройством, работавшим на бумагоделательной фабрике. В чане, наполненном жидкой бумажной массой, находился механизм, перемешивавший содержимое. Он приводился в движение лошадью, ходившей по кругу. От смешивания температура бумажной массы незначительно повышалась (то же самое происходит, например, при растирании сливочного крема). Майер измерял рост температуры и собирался на этом основании определить, какую работу следует проделать для получения определенного количества тепловой энергии.

Однако его метод исследования не мог гарантировать большой точности. Трудно ведь точно подсчитать работу, проделанную лошадью, а значительная часть тепла рассеивалась в воздухе. Еще одна трудность — быть может, самая главная — заключалась в том, что у Майера, врача по профессии, было очень мало свободного времени, которое он мог посвятить своим физическим экспериментам.

Джеймс Джоуль находился в более выгодном положении. Он унаследовал от отца пивоваренный завод и располагал средствами, на которые мог оборудовать дома физическую лабораторию со всеми необходимыми приборами. Было среди них и устройство, с помощью которого он изучал закон, управляющий превращением механической энергии в теплоту (смотри рисунок).

Расскажем о нем поподробнее. На деревянной подставке, которая служит термоизолятором, находится калориметр: металлический сосуд с двойными отполированными стенками, сделанный из двух цилиндров, вставленных один в другой. Между днищами цилиндров находится слой пробки, а промежуток между боковыми стенками заполнен воздухом. Таким образом, внутренний цилиндр изолирован от окружающей среды. Он заполнен жидкостью, которая перемешивается с помощью крыльчатки — металлических лопастей с отверстиями, насаженных на ось. Верхняя и нижняя части металлической оси крыльчатки соединены деревянным валиком, который также препятствует утечке тепла. В верхней части крыльчатки находится веревка. Ее концы Джоуль намотал на два блока.

К двум кускам веревки, намотанным на оси блоков, привязаны грузы в форме — кружков. Прибор имел также две шкалы, находившиеся около грузов, которые позволяют измерять перемещение грузов, а также термометр (на рисунке его нет), служивший для измерение температуры жидкости в калориметре.

С помощью рукоятки Джеймс Джоуль наматывал веревку на ось крыльчатки, в результате чего вращались блоки, наматывая веревки с грузами и поднимая их кверху. Теперь прибор готов к работе. Достаточно освободить рукоятку, чтобы грузы, опускаясь вниз, привели в движение блоки и ось крыльчатки. Вращаясь, крыльчатка преодолевала сопротивление жидкости. В результате произведенной работы жидкости, крыльчатка и внутренний сосуд калориметра нагревались. Джоуль измерял повышение температуры названных элементов. Зная массу и удельную теплоемкость жидкости и соприкасавшихся с ней металлических лопастей, он определял количество передаваемого им тепла. Механическую работу, в результате которой образовалось это тепло, он вычислял, зная массу грузов и расстояние, на которое они переместились.

Джеймс Джоуль сконструировал свой прибор в 1847 году, а три года спустя усовершенствовал его. Проведя очень большое число измерений и расчетов, ученый определил, что количество тепла, выделяющегося при механической работе, пропорционально проделанной работе. Он определил также механический эквивалент теплоты.

Описывая результаты исследований, Джоуль отмечал, в частности: «Работа, проделанная грузом в один фунт, если она будет использована для образования теплоты путем трения воды, поднимет температуру одного фунта воды на один градус по Фаренгейту».

Учитывая разницу в высоте, число циклов работы грузов и принятие у нас единицы измерения, мы можем сказать, что для получения одной килокалории тепла необходимо проделать работу в 423 килограммометра (одна килокалория — количество тепла, необходимое для того, чтобы нагреть один килограмм воды на один градин по Цельсию: килограммометр — количество работы или механической энергии, необходимой для поднятия массы в один килограмм на высоту одного метра).

Следует добавить, что Джоуль пытался вычислить механический эквивалент и другим путем. Во время своих путешествий по горам он измерял температуру воды в водопадах вверху и внизу. Оказалось, как он и предполагал, что внизу вода была немного теплее.

Джеймс Джоуль, пивовар по профессии, всю свою жизнь посвятил физике. Как физик он и вошел в историю. Его заслуги на поприще науки — а пока мы рассказали только об одной из его работ — получили признание. Его именем названа единица работы и энергии.

инж. Е. ВЕЖБОВСКИЙ