Experimentele lui Joule - Caiet de cultură științifică
Experientia docet Dinamica căldurii Articolul 2 din 28
Aproximativ o jumătate de secol mai târziu, James Prescott Joule avea să repete experimentele lui Rumford la o scară mai mică. A început în anii 1940 și le-a repetat timp de mulți ani, rafinându-și tot mai mult aparatele și tehnicile. În toate cazurile, cu cât a fost mai atent, cu atât a găsit mai exactă proporționalitatea cantității de căldură, măsurată ca o schimbare de temperatură și cantitatea de muncă efectuată. Pe măsură ce Joule și-a făcut experimentele cu apa, ca și restul cercetătorilor vremii, el a presupus că proporționalitatea pe care a găsit-o între cantitatea de căldură produsă, simbolizată prin litera Î (Î este un simbol comun pentru căldură) a fost egală cu cantitatea de apă exprimată ca masă, m, înmulțit cu modificarea temperaturii (simbolizată cu litera greacă Δ, delta), T; cu ceea ce a ajuns la expresia: Î = mΔT.
Astăzi știm că cantitatea de căldură care corespunde unei anumite modificări de temperatură este diferită pentru diferite substanțe (chiar și că poate varia în funcție de temperatură). Pentru a lua în considerare acest lucru în expresia de mai sus, pur și simplu introduceți o constantă c, o vom suna căldura specifică substanței în cauză. Astfel, relația dintre căldură și schimbarea temperaturii poate fi scrisă ca: Î = m·cΔT.
Cantitatea de căldură poate fi exprimată într-o unitate numită calorie. Caloria este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura de 1 g de apă cu 1 ° C în condiții standard. Prin urmare, căldura specifică a apei exprimată în calorii este exact 1, adică pentru apă c = 1 cal/g ° C. Prin urmare, dacă vorbim în aceste unități, relația Joule este îndeplinită: Î = mΔT
Joule a efectuat experimente foarte variate și folosind diferite mijloace pentru a putea stabili o relație indiferent de sistemul utilizat.
Pentru unul dintre primele sale experimente despre relația dintre căldură și muncă, Joule a construit un generator electric simplu, a cărui forță motrice era o greutate scăzută. A trecut curentul electric astfel generat printr-un cablu care era scufundat într-un recipient cu apă, pe care l-a încălzit. De la distanța pe care a parcurs-o greutatea când Joule a căzut, el ar putea calcula munca depusă (amintiți-vă că munca nu este altceva decât forța ori distanța, iar greutatea este o forță; este, de asemenea, o scădere a potențialului energetic, este legat de poziția într-un câmp precum gravitațional). Produsul masei de apă, m, în recipient prin creșterea temperaturii acestuia, ΔT, a permis lui Joule să calculeze cantitatea de căldură produsă, Î.