Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

 

Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ δεν μεταβιβάζεται

μόνο με ΕΡΓΟ                   

 

1. Θερμότητα

H μαθήτρια :  Εάν το έργο μιας δύναμης και η μεταβιβαζόμενη ενέργεια είναι το ίδιο πράγμα, 

γιατί χρησιμοποιούμε δύο διαφορετικές λέξεις ;

Ο καθηγητής :  Το έργο είναι ποσότητα μεταβιβαζόμενης ενέργειας αλλά υπάρχει κι άλλος «μηχανισμός»  για μεταβίβαση ενέργειας

Η μαθήτρια : Όπως ;

Ο καθηγητής : Μέχρι και στα μέσα του 19ου αιώνα στο ερώτημα « τι είναι θερμότητα; » είχαν δοθεί   ποικίλες απαντήσεις αλλά καμία δεν ήταν χωρίς  σοβαρές αδυναμίες.

Κατά τη δεκαετία του 1840 ο Joule – και όχι μόνον αυτός - έδωσε μια πειστική απάντηση στο ερώτημα « τι είναι θερμότητα» υποστηρίζοντας ότι

      η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ είναι «κάτι» σαν το ΕΡΓΟ, μεταβιβαζόμενη ενέργεια

Η μαθήτρια : Με ποια λογική ;  Η  θερμότητα είναι κάτι που ρέει από το ζεστό προς το κρύο ενώ το έργο σχετίζεται με δύναμη και μετατόπιση. 

Ο καθηγητής : Το έργο πράγματι σχετίζεται με δύναμη και μετατόπιση αλλά η μεταβίβαση ενέργειας με έργο μπορεί να κάνει ένα ακίνητο σώμα να κινηθεί ή μπορεί και να ανυψώσει ένα σώμα

Από την άλλη , η θερμότητα είναι κάτι που ρέει από σώμα μεγάλης θερμοκρασίας σε ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία . Η ροή αυτή μπορεί να προκαλέσει θέρμανση του σώματος στο οποίο «φθάνει» 

Κατά τον 19ο αιώνα η εμπειρία της ατμομηχανής η οποία υπήρξε μια σημαντική «δασκάλα» των θεωρητικών είχε διδάξει ότι η ροή θερμότητας προς μια ποσότητα νερού προκαλεί δημιουργία ατμών οι οποίοι σπρώχνουν και θέτουν κάποιο έμβολο σε κίνηση. 

Η θερμότητα δηλαδή «κάνει» ότι και το έργο. Από την άλλη το έργο μιας δύναμης μπορεί να προκαλέσει ότι και η θερμότητα, δηλαδή αύξηση της θερμοκρασίας.

Η μαθήτρια : Και αυτό ήταν αρκετό ώστε πείσει η θερμότητα είναι, όπως και το έργο, δηλαδή  μεταβιβαζόμενη ενέργεια ;

Ο καθηγητής : Όχι δεν ήταν αρκετό. Έπρεπε να επινοηθεί τρόπος ώστε μέσα από ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ «κάθε φορά που μια μονάδα έργου αυξάνει τη θερμοκρασία ενός σώματος κατά ΔΤ, η θερμότητα που θα προκαλούσε το ίδιο αποτέλεσμα να είναι πάντα η  ίδια ποσότητα».  Κατά τη δεκαετία του 1840 ο Joule επινόησε μια σειρά από διατάξεις με τις οποίες-  χρησιμοποιώντας θερμόμετρα, μετροταινίες, ζυγαριές και διάφορες  ποσότητες νερού  -  απέδειξε, μέσα από μετρήσεις,  ότι το έργο που θα προκαλούσε αύξηση της θερμοκρασία του νερού όσο και μια μονάδα θερμότητας ( ένα calorie- μια θερμίδα) είναι σε κάθε περίπτωση 4,2 τζάουλ. Βέβαιο ο Joule δεν χρησιμοποιούσε τις  μονάδες Joule και cal αλλά μονάδες της εποχής εκείνης αλλά οι μετρήσεις του αντιστοιχούν στις τιμές αυτές . ( Οι σημερινές μετρήσεις δείχνουν ότι μία θερμίδα ισοδυναμεί πάντα με 4,186 τζάουλ )  και συνέβαλε στο να εδραιωθεί η καινούρια ιδέα

 

Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ είναι μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας

Η τιμή της είναι η ποσότητα ενέργειας που μεταβιβάστηκε

 

Η μαθήτρια :Τι είδους διατάξεις ήταν αυτές ;

Ο καθηγητής : Ο Joule υπήρξε ένας από τους κορυφαίους πειραματικούς του αιώνα. Οι διατάξεις τις οποίες επινόησε ήταν ένα σωρό. Ανάμεσά τους ίσως ξεχωρίζει εκείνη με τον τροχό με τα πτερύγια μέσα σε νερό  και με τα βαρίδια να κατέρχονται .

 Στο κλασικό πείραμα του 1843, μέσα από μια σειρά μετρήσεων, με τη συσκευή που είχε φτιάξει ο ίδιος, δείχνει ότι

Ένα σώμα μάζας  772 pounds όταν κατέρχεται κατά 1 foot -ένα πόδι- αυξάνει τη θερμοκρασία ενός pound νερού κατά ένα 1° F

 

Έργο 772 μονάδων ft lbs είναι ισοδύναμο με τη θερμότητα που απαιτείται για να αυξήσει τη θερμοκρασία  ενός pound νερού κατά 1° F.

 

Το έργο σε τζάουλ .

Εφόσον 1 foot = 0,304 m και 1 lb = το βάρος μάζας 1 pound = 0.4536.9,81 = 4,45 N, θα είναι 772 ft lbs = 772. 0,3046. 4,45 J = 1046J

 

Η θερμότητα σε cal.

Εφόσον η μάζα one pound = 0,4536 kg και 1° F = 5/9 oC θα είναι

 Q = 0,4536. 1000 . 5/9 cal = 252 cal.

 

1046 τζάουλ έργου –ενέργειας μεταβιβαζόμενης με μηχανισμό έργου προκαλούν το ίδιο αποτέλεσμα με 252 cal θερμότητας.

Άρα έργο 4,15 τζάουλ είναι ισοδύναμο με θερμότητα 1 cal.

 

On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
Author: James Prescott Joule
Source: Philosophical Magazine, series 3, vol. xxvii, p. 205 Year published: 1845

 

2. Ηλεκτρικό έργο

( Μεταβιβαζόμενη ηλεκτρική ενέργεια)

 

Η  εμπειρία.

1. Η μπαταρία και το μοτεράκι.

Η μπαταρία συμβάλλει ώστε το μοτεράκι να τεθεί σε κίνηση.  Προκαλεί «ότι και η μεταβίβαση ενέργειας με έργο».

2. Η μπαταρία και το λαμπάκι.

Η μπαταρία συμβάλλει ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία του. Προκαλεί  στο λαμπάκι «ότι και η μεταβίβαση ενέργειας με θερμότητα».

3. Το μίξερ στην κουζίνα. 

Πατάει ένα κουμπί  και το μίξερ αρχίζει να λειτουργεί, τίθεται σε κίνηση .

 

Η θεωρητική σκέψη  

Από τη μπαταρία μεταβιβάζεται  - προς το μοτεράκι ή προς το λαμπάκι- ενέργεια.

Από το δίκτυο  της ΔΕΗ μεταβιβάζεται προς το μίξερ ενέργεια

 

Το ηλεκτρικό έργο ( συνήθως αναφέρεται ως ηλεκτρική ενέργειας )

είναι μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας

Η τιμή του δίνει την ποσότητα μεταβιβαζόμενης ενέργειας. 

 

3. Ακτινοβολία

Η εμπειρία . 

Το φως πέφτει στην επιφάνεια ενός αντικειμένου και προκαλεί ότι και η θερμότητα, αυξάνει τη θερμοκρασία

Πέφτει στο ακτινόμετρο του Crookes, και το θέτει σε κίνηση . 

Πέφτει σε φωτοβολταϊκό στοιχείο και το μετατρέπει σε ηλεκτρική στήλη, 

Πέφτει σε ηλιακό αυτοκίνητο και το κινεί

 

Η θεωρητική σκέψη  

Το φως - και γενικότερα η ακτινοβολία - είναι μηχανισμός μεταβίβασης ενέργειας

Η τιμή της μας δίνει την ποσότητα μεταβιβαζόμενης ενέργειας. 

 

Ο ΗΛΙΟΣ είναι κάτι σαν μητέρα μας και πατέρας μας μαζί.  Η ζωή πάνω στον πλανήτη προέρχεται από την ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ του ήλιου αλλά και διατηρείται χάρη σε αυτήν .

Ένα ελάχιστο ποσοστό από την ηλιακή ακτινοβολία φθάνει στη Γη. Τα φυτά κρατούν το ένα περίπου εκατοστό από τη «σταγόνα» αυτή της ενέργειας και τη χρησιμοποιούν για να παίξουν τον ρόλο τους στο παιχνίδι της ζωής.

Παράλληλα και εκτός των άλλων, η ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει το γήινο έδαφος, θερμαίνει το νερό, προκαλεί την εξάτμισή του και δημιουργεί τα σύννεφα και τη βροχή, θερμαίνει τον αέρα και δημιουργεί τους ανέμους.