Открывая дверь к единству энергии

До середины XIX века считалось, что «теплота» — это особое вещество, называемое «теплородом», и механическое движение с ней никак не связано. Однако,Джеймс Прескотт Джоульчерез 40 лет строгих экспериментов полностью опроверг эту гипотезу. Его ключевое открытие заключалось в том, что:работа и тепло при изменении внутренней энергии системы полностью эквивалентны.

Два главных эксперимента Джоуля

• Эксперимент 1: прямое преобразование механической энергии: как показано на рисунке 3.1-1, в адиабатическом сосуде груз падает, совершая работу через лопасти мешалки. Джоуль обнаружил, что если перемещение груза одинаково, то повышение температуры воды $\Delta T$ будет полностью одинаковым. Это доказывает,работа может вызывать точно такое же изменение, как и передача тепла.
• Эксперимент 2: разнообразие путей преобразования: как показано на рисунке 3.1-2, груз вращает генератор, вырабатывая электричество, которое нагревает резистор. Несмотря на сложное преобразование «механическая энергия → электрическая энергия → внутренняя энергия», соотношение количества энергии остается неизменным.

Величие Джоуля заключается в том, что он не только наблюдал эти явления, но и с помощью тысяч повторений экспериментов определил «механический эквивалент тепла»: сколько джоулей работы необходимо совершить, чтобы получить 1 калорию тепла. Это стало основой длязакона сохранения энергиипревращения из философского рассуждения в строгое физическое правило.