Penemuan Konservasi Energi: Mayer dan Joule
Michael Fowler 6/3/08
Robert Mayer dan Warna Darah
Julius Robert Mayer lahir di kota pabrik dari Heilbronn. Jerman, di Sungai Neckar, Pada tahun 1814. . Seluruh Perekonomian kota didasarkan pada tenaga air The Mayer berusia sepuluh tahun memiliki ide bagus: mengapa tidak menggunakan bagian output roda air untuk menggerakkan sebuah sekrup Archimedes yang akan memompa air kembali lagi? Dengan cara itu Anda tidak akan harus bergantung pada sungai sama sekali!
Dia memutuskan untuk membangun sebuah model. Try pertamanya tidak bekerja-air dipompa kembali, tetapi tidak cukup. Tapi tentunya yang bisa diurus dengan menempatkan dalam kereta gigi untuk membuat sekrup berjalan lebih cepat? Mengecewakan, ia menemukan roda air memiliki waktu lebih keras memutar sekrup lebih cepat, dan dia harus menyediakan lebih banyak air di atas roda, jadi dia kembali ke titik awal. Semakin cerdik tapi tidak berhasil perbaikan akhirnya meyakinkannya bahwa sebenarnya tidak ada solusi: tidak ada cara untuk mengatur mesin untuk melakukan pekerjaan untuk apa-apa . Pelajaran ini tinggal dengan Mayer untuk hidup.
Mayer belajar untuk menjadi seorang dokter (studi termasuk satu saja fisika) dan pada tahun 1840, pada usia 25, ia menandatangani kontrak sebagai dokter kapal pada kapal menuju daerah tropis. Tak lama setelah mencapaiHindia Belanda, Beberapa pelaut menjadi sakit dan pengobatan Mayer termasuk membiarkan darah. Dia terkejut menemukan bahwa darah vena adalah merah cerah, hampir sama dengan darah arteri. Kembali diJerman, Darah vena jauh lebih gelap, dan ada alasan: ahli kimia Lavoisier telah menjelaskan bahwa penggunaan tubuh dari makanan, setidaknya sebagian, sebesar membakarnya dengan cara yang terkontrol untuk memasok kehangatan. Darah vena gelap berlaku terkandung abu, untuk disampaikan ke paru-paru dan dilepaskan sebagai karbon dioksida. Mayer menyimpulkan bahwa kurang pembakaran makanan yang dibutuhkan untuk tetap hangat di daerah tropis, maka darah kurang gelap.
Sekarang, Lavoisier telah mengklaim bahwa jumlah panas yang dihasilkan oleh pembakaran, atau oksigenasi, dari sejumlah karbon tidak tergantung pada urutan reaksi kimia yang terlibat, sehingga panas yang dihasilkan oleh kimia darah oksigenasi akan sama dengan yang dari tidak terkendali kuno pembakaran di udara. Perumusan kuantitatif ini menyebabkan Mayer untuk berpikir tentang bagaimana ia akan mengukur panas yang dihasilkan dalam tubuh, untuk menyamakan untuk makanan dibakar. Tapi ini langsung mengarah ke masalah. Siapapun dapat menghasilkan panas tambahan, hanya dengan menggosok tangan bersama-sama, atau, misalnya, dengan memutar berkarat, roda unoiled:. as roda akan menjadi panas? Apakah ini 'luar' panas juga dihitung sebagai dihasilkan oleh makanan Agaknya ya, kekuatan makanan tubuh, dan tubuh menghasilkan panas, bahkan jika tidak langsung. Mayer yakin dari pengalaman masa kecilnya dengan roda air yang tidak berasal dari apa-apa: yang luar panas tidak bisa hanya muncul entah dari mana, itu harus memiliki sebab.
Tapi ia melihat bahwa jika panas tidak langsung yang dihasilkan juga harus disertakan, ada masalah. Analisisnya berlari sesuatu seperti ini (saya sudah berubah ilustrasi sedikit, tapi ide yang sama). Kira dua orang masing-masing terus memutar roda besar pada tingkat yang sama, dan roda sama-sama sulit untuk mengubah Salah satunya adalah kami berkarat roda unoiled dari paragraf terakhir, dan semua upaya orang itu akan menjadi menghasilkan panas. Tapi roda lainnya memiliki halus, poros diminyaki dan menghasilkan sejumlah diabaikan panas. Hal ini sama sulit untuk mengubah, meskipun, karena mengangkat ember besar air dari sumur. Bagaimana kita menyeimbangkan 'makanan = panas' anggaran dalam kasus kedua ini?
Mayer terpaksa kesimpulan bahwa untuk 'makanan = panas' persamaan masuk akal, harus ada yang lain kesetaraan: sejumlah kerja mekanik, diukur misalnya dengan menaikkan berat dikenal melalui jarak tertentu, harus menghitung sama seperti sejumlah panas, diukur dengan menaikkan suhu jumlah tetap air, katakanlah, sejumlah derajat. Dalam istilah modern, joule memiliki setara dengan jumlah tetap kalori. Mayer adalah yang pertama untuk menguraikan ini 'setara mekanik panas' dan pada tahun 1842 ia menghitung jumlah menggunakan hasil eksperimen yang dilakukan sebelumnya di Perancis pada spesifik memanaskan gas. Peneliti Perancis telah mengukur panas spesifik dari gas yang sama pada volume konstan ( C v ) dan pada tekanan konstan ( C p). Mereka selalu menemukan C p lebih besar dari C v . Mayer ditafsirkan ini dengan eksperimen pikiran berikut: mempertimbangkan dua silinder vertikal identik, ditutup di atas oleh piston bergerak, piston bertumpu pada tekanan gas, masing-masing melampirkan jumlah yang sama dari gas yang sama pada suhu yang sama. Sekarang memasok panas ke dua gas, untuk satu gas menjaga piston tetap, untuk yang lain memungkinkan untuk naik. Mengukur berapa banyak panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas dengan sepuluh derajat, mengatakan. Hal ini ditemukan bahwa panas ekstra yang dibutuhkan untuk gas pada tekanan konstan, yang mana piston dibiarkan naik. Mayer menegaskan ini adalah karena dalam kasus itu , sebagian panas telah dikeluarkan sebagai pekerjaan untuk menaikkan piston. ini diikuti sangat alami dari pemikiran sebelumnya, dan pengukuran Perancis menyebabkan nilai numerik untuk kesetaraan yang Mayer mengerti urutan: reaksi kimia menghasilkan panas dan kerja, kerja yang kemudian dapat menghasilkan jumlah yang pasti panas. Hal ini sebesar pernyataan dari kekekalan energi. Sedih untuk melaporkan, Mayer bukan bagian dari pembentukan ilmiah Jerman, dan pekerjaan tanah-melanggar ini diabaikan selama beberapa tahun.
James Joule
Sementara itu, di Manchester. Inggris, Pusat revolusi industri, masalah yang sama sedang didekati dari cukup arah yang berbeda oleh James Joule, anak seorang pembuat bir makmur. Joule adalah beruntung bahwa sebagai seorang remaja, ia belajar di rumah, bersama dengan saudaranya, oleh John Dalton, kimiawan yang mendirikan teori atom. Manchesteradalah di tepi pemotongan kemajuan teknologi, dan satu ide menarik di 1830 adalah bahwa mesin uap mungkin batubara-driven bisa diganti dengan motor listrik baterai-driven. Joule, berusia dua puluhan, mengatur dirinya tugas memperbaiki motor listrik ke titik di mana itu akan menjadi kompetitif dengan mesin uap. Tapi itu tidak menjadi-setelah bertahun-tahun upaya, ia menyimpulkan bahwa yang terbaik itu akan mengambil lima pound seng dikonsumsi dalam baterai untuk memberikan pekerjaan dari satu pon batu bara. Tapi dia belajar banyak. Ia menemukan arus listrik di kawat menghasilkan panas pada tingkat I 2 R , sekarang dikenal sebagai pemanasan Joule. Interpretasi teori kalori adalah bahwa cairan kalori awalnya di baterai dirilis bersama dengan arus listrik dan menetap di kawat. Namun, Joule menemukan pemanas yang sama terjadi dengan arus yang dihasilkan dengan menggerakkan kawat melewati magnet permanen. itu sulit untuk melihat bagaimana cairan kalori masuk ke kawat dalam situasi itu. Joule memutuskan teori kalori adalah tersangka. Dia dihasilkan arus oleh menerapkan kekuatan terukur untuk dinamo, dan menetapkan bahwa panas yang muncul dalam kawat itu selalu berbanding lurus dengan kerja yang dilakukan oleh kekuatan pendorong dinamo.
Akhirnya, saya sadar bahwa perantara listrik itu tidak perlu: panas dapat diproduksi langsung oleh gaya, jika bukan memutar dinamo, ternyata roda dayung berputar air dalam kaleng terisolasi. Gambar di bawah menunjukkan aparatur:
Roda dayung berubah melalui lubang dipotong di lembar kuningan stasioner, berputar sampai air. Ini semua dalam sebuah terisolasi dapat, tentu saja. Dengan cara ini, Joule mengukur setara mekanik panas, jumlah yang sama Mayer telah disimpulkan dari percobaan gas Perancis.
Awal penerimaan Joule dengan pendirian ilmiah tidak terlalu berbeda dari Mayer. Dia juga adalah provinsi, dengan aksen yang aneh. Tapi dia memiliki keberuntungan di tahun 1847, ketika ia melaporkan karyanya ke pertemuan British Association, dan William Thomson adalah di antara penonton. Thomson baru saja menghabiskan satu tahun diParis. Dia sepenuhnya akrab dengan pekerjaan Carnot, dan percaya teori kalori benar. Tapi dia tahu bahwa jika Joule benar-benar memiliki panas yang dihasilkan dengan mengaduk air, teori kalori harus salah-katanya ada 'kesulitan dapat diatasi dalam mendamaikan dua.
Tapi Siapakah Pertama: Mayer atau Joule?
Mayer dan Joule, menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda, tiba hampir bersamaan pada kesimpulan bahwa panas dan kerja mekanik secara numerik setara: jumlah yang diberikan pekerjaan bisa diubah menjadi jumlah kuantitatif diprediksi panas. Yang mana dari dua orang layak lebih banyak kredit (tidak menyebutkan pesaing lainnya!) telah berpendapat untuk lebih dari satu abad. Secara singkat, umumnya mengakui bahwa Mayer adalah orang pertama yang menguraikan konsep setara mekanik panas (meskipun pelaksanaannya, independen, oleh Joule) dan Joule adalah pertama untuk meletakkannya secara eksperimental perusahaan.
Munculnya Konservasi Energi
Bahkan, oleh 1840, meskipun banyak yang masih percaya pada teori kalori, itu mengalami kesulitan lain. Sebelum tahun 1820, hampir semua orang percaya, berikutNewton, Cahaya itu adalah aliran partikel. Sekitar 1800, Herschel menemukan bahwa pada lewat sinar matahari melalui prisma, dan mendeteksi panas yang sesuai dengan warna yang berbeda, sebenarnya ada yang panas ditransmisikan luar merah. Hal ini menunjukkan bahwa radiasi panas adalah partikel kalori Streaming melalui ruang, dan tidak diragukan lagi sangat mirip dalam karakter dengan cahaya. Tapi di tahun 1820 itu jelas ditetapkan bahwa cahaya benar-benar gelombang? Apakah ini berarti panas adalah gelombang terlalu Mungkin cairan kalori adalah osilasi dalam eter. Hal-hal yang sekarang sangat bingung. Pada tahun 1841, Joule menulis diplomatis: 'biarkan ruang antara atom senyawa ini seharusnya diisi dengan eter kalori dalam keadaan getaran, atau, sebaliknya, untuk ditempati dengan osilasi dari atom sendiri '(Joule 1963, hal.52).
Itu terjadi, meskipun, bahwa kesulitan dalam mendamaikan teori Carnot dan eksperimen Joule yang tidak dapat diatasi seperti yang diklaim Thomson Pada tahun 1850, seorang profesor Jerman, Rudolph Clausius, menunjukkan bahwa teori Carnot itu masih hampir tepat: satu-satunya penyesuaian yang diperlukan adalah bahwa ada sedikit panas sedikit muncul dari bawah 'roda air kalori' daripada pergi di atas-sebagian panas menjadi energi mekanik, pekerjaan mesin uap sedang melakukan. Untuk mesin uap nyata, efisiensi-the fraksi dari jalan masuk panas disampaikan berguna kerja-begitu rendah sehingga mudah untuk memahami mengapa gambar Carnot telah diterima begitu lama. untuk pertama kalinya, dengan kertas Clausius ', sebuah teori yang koheren panas muncul, dan hari-hari kalori teori menarik untuk menutup.
Buku yang saya digunakan dalam menulis catatan ini ...
Caneva, KL: 1993, Robert Mayer dan Konservasi Energi ,Princeton Universitas Tekan, Princeton. Jersey baru.
Cardwell, DSL: 1989, James Joule: A Biography , Manchester Universitas Tekan, Manchester dan New York.
Cardwell, DSL: 1971, Dari Watt untuk Clausius ,Cornell Universitas Tekan, Ithaca. New York.
Joule, JP: 1963, Scientific Papers , Vol. Aku , Dawsons dari Pall Mall,London.
Magie, WF: 1935, Sumber Buku Fisika ,McGraw-Hill. New York.
Roller, D .: 1957, 'The Early Pengembangan Konsep Suhu dan Panas: The Rise dan Penurunan dari kalori Teori', di JB Conant dan LK Nash (eds.), Harvard Kasus Histories Ilmu Eksperimental , Harvard University Press , Cambridge, Massachusetts, 1957, 117-215.
Source: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/152.mf1i.spring02/MayerJoule.htm
