Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия - [154]

Вычитание двух результатов для одинаковых химических изменений в батарее при переходе потенциальной энергии в теплоту снова дало отношение примерно 800:1. На этот раз общим источником была химическая энергия и Джоуль предположил, что при одном и том же расходе химикалий выделяется одна и та же энергия. (Из других химических опытов он убедился, что химическая, электрическая и тепловая энергии при взаимных переходах правильно «балансируют его счета».)

Фиг. 85.Опыты Джоуля, Роуланда и Хирна с превращением энергии.

Фиг. 86. Опыты Каллендера и Барнеса.

_{Косвенные методы используют электрические измерения. Амперметр градуируется по силе взаимодействия катушек с током, вольтметр градуируется на примитивном генераторе, дающем э. д с, которую можно вычислить из простой геометрии, измеренного тока и скорости вращения.}

* * *

Эксперименты по изучению взаимного превращения механической энергии и теплоты

Краткое описание и результаты некоторых из наиболее известных экспериментов

_{Год ∙ Экспериментатор ∙ Метод ∙ Результат в единицах Кал на тыс. дж}

_{∙ 1708 ∙ Румфорд}

_{Сверление пушки тупым сверлом. Лошади, приводившие в движение сверлильный станок, создавали «неограниченное количество» тепла. Сам Румфорд не вычислял механического эквивалента, но вычисления, основанные на его записях работы лошадей и нагревания воды, согласно Джоулю, позднее привели к указанной оценке ∙ 5 или 6}

_{∙ 1799 ∙ Дэви}

_{Трение двух кусочков льда один о другой, по его мнению, вызывает их таяние. Пользуясь часовой пружиной, он с помощью трения расплавлял в вакууме воск. (Эксперименты слишком грубы, чтобы служить истинной проверкой, но опыты Дэви сильно повлияли на взгляды других ученых.) ∙ 3,5}

_{∙ 1842 ∙ Майер}

_{Предложил термин «механический эквивалент тепла» и оценил его, исходя из удельной теплоемкости газов, но использовал неточные данные и делал произвольные допущения ∙ 3,5}

_{∙ 1839–1843 ∙ Джоуль}

_{Экспериментировал с электрическим током; он интерпретировал эффект нагревания и химический эффект на основе растущей веры в нечто, похожее на сохранение энергии, рассматривая теплоту как форму движения ∙ 3,5}

_{∙ 1843 ∙ Джоуль}

_{Построил простую электрическую машину, которая могла использоваться либо как генератор, либо как мотор. Приводя ее как генератор в движение падающими грузами, он измерял теплоту, созданную движением тока по катушке, погруженной в воду. (Роль катушки на деле выполнял статор машины.) Вычитание результатов эксперимента с выключенным магнитом («холостой ход») из результатов с включенным магнитом («рабочий ход») позволило ему учесть трение в подшипниках и т. д. ∙ (4,76; 5,38; 5,60; 4,90)}

_{∙ 1843 ∙ Джоуль}

_{- Та же машина использовалась как мотор. (А) Мотор, приводимый в движение батареей, поднимал груз. (Б) Батарея создавала тот же ток и нагревала провода (на самом деле устройство было сложнее, но идея та же самая) ∙ (5,51; 3,15)}

_{- Улучшенная установка, описанная выше ∙ (4,62; 4,62; 3,95)}

_{∙ 1843 ∙ Джоуль}

_{Вода пропускалась по тонким трубкам и нагревалась за счет внутреннего трения в жидкости. Измерялась сила, с которой поршень с очень маленькими отверстиями «продавливался» через воду в цилиндре ∙ 4,42}

_{∙ 1844 ∙ Джоуль}

_{Воздух, сжимаемый последовательными движениями компрессора, нагревался. Сосуд со сжатым воздухом помещался в большую массу воды для отвода и измерения количества тепла. При вычислении потребленной механической энергии Джоуль учитывал изменение сжимающей силы вследствие изменения давления по «закону Бойля» ∙ 4,22}

_{∙ 1845 ∙ Джоуль}

_{То же устройство, но с большим сжатием ∙ 4,27}

_{∙ 1845 ∙ Джоуль}

_{Сжатый воздух в сосуде, помещенном в водяную ванну, расширялся до атмосферного давления, охлаждаясь за счет этого ∙ (4,08; 4,37; 4,91)}

_{∙ 1845 ∙ Джоуль}

_{Приводимая в движение падающими грузами крыльчатка перемешивала воду и за счет трения в жидкости, нагревала ее. (Первая форма эксперимента Джоуля.) ∙ 4,80}

_{∙ 1847 ∙ Джоуль}

_{- Усовершенствованная крыльчатка, перемешивающая воду. (Джоуль накручивал на барабан веревку с грузами и, чтобы получить достаточное повышение температуры, заставлял их падать по 20 раз. Он учитывал потерю тепла на нагревание воздуха и потерю кинетической энергии при ударе грузов о пол.) ∙ 4,21}

_{- В том же устройстве вместо воды использовался китовый жир (о учетом измеренной удельной теплоемкости жира) ∙ 4,22}

_{- В том же устройстве использовалась ртуть ∙ 4,24}

_{∙ 1848 ∙ Джоуль}

_{В том же устройстве перемешивалась вода. Было сделано 40 опытов с еще большей точностью. Джоуль полагал, что погрешность этих результатов составляет 0,5 % ∙ 4,15}

_{∙ 1850 ∙ Джоуль}

_{В том же устройстве перемешивалась ртуть ∙ 4,16}

_{∙ 1850 ∙ Джоуль}

_{Нагревание железных плиток трением ∙ 4,21}

_{∙ 1857 ∙ Фавр}

_{При одном и том же токе и продолжительности работы батарея создавала механическую энергию или теплоту ∙ (4,17-4,54)}

_{∙1857 ∙ Хирн}

_{Сверление металла тупым сверлом ∙ 4,16}

_{∙ 1861 ∙ Хирн}

_{- Охлаждение водой металлического тормоза ∙ 4,23}

_{- Нагревание воды при прохождении ее через узкую трубку под высоким давлением ∙ 4,16}

_{- Расплющивание свинца. (Маятник-молот 300 кГ со скоростью 4,5 м/сек ударял по куску свинца 2,5 кГ на каменной наковальне массой 1 т. Свинец нагревался примерно на 5 °C.) ∙ 4,17}