تجربه‌ی ژول

در اکثر مشاهدات روزمره، می‌بینید که انرژی مکانیکی یک جسم از انرژی پتانسیل به جنبشی و یا بالعکس تبدیل می‌شود. اما اگر با دقت، سیستم‏های مکانیکی را مطالعه کنیم یا برای مدت طولانی حرکت آن‌ها را بررسی کنیم، مشاهده می‏ کنیم که قانون بقای انرژی مکانیکی نقض می‏ شود.

به عنوان مثال، یک نوسان کننده بعد از مدتی می‌‏ایستد و انرژی اولیه‌ی آن ناپدید می‏ شود. یا اگر دست‌های خود را به‌هم مالش داده یا دست بزنید، کار انجام می‌شود اما انرژی جنبشی یا پتانسیل بارزی ظاهر نمی گردد. وقتی چکش باشدت به فلزی زده می‌شود ، انرژی جنبشی چکش، باعث گرم شدن آن می‏ شود .

وقتی آونگ نوسان می‌کند ، انرژی جنبشی آونگ ، باعث گرم شدن هوا و محورهای حرکتی آن می‌شود. به نظر می‌‏آید انرژی به شکل دیگری درآمده است. در تمامی این موارد، ما مشاهده می‏ کنیم که چیزی گرم می‌شود.

آیا می‌توان دما و تغییرات آن را معادل انرژی یا کار انجام شده دانست؟

برای پاسخ به این سئوال دو بلوک مسی و آلومینیومی هم شکل را در نظر بگیرید. اگر دو بلوک مسی و دو بلوک آلومینیومی را در شرایط یکسان مالش دهید آیا افزایش دمای آن‌ها یکسان خواهد بود؟ ‌

نه!

بدیهی است که در این آزمایش کار انجام شده، یکسان است ولی افزایش دما متفاوت می‌باشد، لذا دما نمی ‏تواند جایگزین انرژی تلف شده باشد. دما ارتباط نزدیکی با میزان انرژی جنبشی ماده دارد. به عبارتی، آنچه را که ما دما می‌نامیم و می‌گوییم جسمی بسیار داغ است ( دستمان را می‌سوزاند ) به این معنی است که جنبش مولکولی آن ماده بسیار زیاد است. براین اساس، انرژی درونی به‌عنوان کل انرژی ذرات تشکیل دهنده‌ی ماده تعریف می‎ گردد.

سئوال این است که آیا می‌توان ارتباط نزدیک‌تری بین مفهوم انرژی مکانیکی و انرژی گرمایی مشاهده نمود؟ ژول اولین فردی بود که بر اساس یک آزمایش ساده این ارتباط را کشف نمود. در شکل مقابل، آزمایش وی را مشاهده می‌کنید. با سقوط وزنه به اندازه h انرژی پتانسیل وزنه آزاد می‌شود و باعث چرخیدن پره ‏ها در محیط آب می‌گردد. حرکت پره‏ هـا، جـنبـش مولکولـ‌های آب را بالا می‏ برد و دما افزایش می‌یابد. با استفاده از مدل سازی زیر می‌توانید خودتان آزمایش ژول را تجربه کنید.

در این مدل سازی، جرم وزنه‌ها با massa و ارتفاع با altezza تغییر می‏ کند. برای شروع آزمایش بر روی codi ancora کلیک کنید ( احتمالاً زبان ایتالیایی شما به زودی پیشرفت خواهد کرد! )

میزان وزنه و ارتفاع سقوط وزنه را تغییر دهید. آیا می‌توانید تناظری بین انرژی پتانسیل وزنه و دمای آب (temperatura) بیابید؟

با استفاده از آزمایش ژول می‌توان دریافت که بین انرژی گرمایی، کار و انرژی درونی، رابطه وجود دارد. اما توجه داشته باشید که انرژی درونی همان انرژی گرمایی نیست. فرض کنید کتری روی اجاق گاز قرار داشته باشد. به انرژی منتقل شده از طرف شعله های گاز به کتری، انرژی گرمایی می‌گویند. اما وقتی کتری گرم شد، بخشی از انرژی آن، مربوط به گرمای داده شده است و بخشی مربوط به قبل از گرم کردن آن می‌باشد. به مجموعه‌ی این انرژی‏ ها، انرژی درونی می‏ گویند.

به عبارت دقیق‏ تر آنچه که منتقل می‏ شود انرژی گرمایی است؛ اما به انرژی که ذرات ماده دارند انرژی درونی می‌گویند. در واقع تغییرات انرژی درونی برابر مجموع کار انجام شده روی سیستم و گرمای داده شده به آن می‌باشد. به عبارت دیگر، اگر تغییرات انرژی درونی را با(Δ u)، کار انجام شده بر روی سیستم را با(w) و گرمای داده شده به آن را با(Q) نشان دهیم، خواهیم داشت:Q+W=Δu

این مطلب در واقع بیان قانون اول ترمودینامیک است که رابطه کمّی بین گرما، انرژی درونی و کار را نشان می‌دهد. طبق این قانون کار مکانیکی و انرژی گرمایی می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند، بدون اینکه تغییری در کل انرژی موجود در ماده صورت گیرد. به فیلم زیر توجه کنید. در این فیلم وسیله ای را مشاهده می‌کنید که در آن انرژی گرمایی هوا به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود.

ما قصد داریم تا در آینده شما را بیش‌تر با قانون اول ترمودینامیک آشنا کنیم پس مطالب ما را در قسمت‌های بعدی دنبال کنید.