ジュールの羽根車実験 – あべりょう
おもり100kg 1m上げた 位置エネルギー1,000J
繋いだ水槽 羽根車回し 温度上げるジュール実験
化学、位置、運動、熱へと エネルギー保存回せ
ピストンロックし体積一定(ΔV=0) 詰めたメタン混合気(70リットル)
燃焼(ΔH)→熱力第一(Q=ΔU+W)→温度に蓄えた
内部エネルギー(ΔU)1,000Jを仕事(W)量に換算
※CH4+2O2→CO2+2H2O(g)エンタルピーΔH≒-8.9×105J／mol、n=1.1×10－3mol、
メタン1：酸素2：ヘリウム1,000
ヘリウムが急膨張 ロック外れ ピストン押し上げ
温度(ΔU=-W)が「重力に逆らって膨張仕事(W)」
上げたおもりが落下 連動した羽車が水をかき
重力に従う仕事(W)な位置エネルギー(E) 単位がジュール(J)
仕事(W、単位J)=距離(m)×力(N)
※1,000J=1,000N×h(1m)
運動方程式(F=ma)から 力(F、1,000N)は=質量m(100kg)×重力加速度g(10m／s2)で
1,000Jの「温度(ΔU)」払い 膨張仕事(W)させ持ち上げ(m(100kg)×g(10m／s2)×h(1m))
差し引き36ケルビン(T)冷める エネルギー勘定
距離(m)×力(N)な仕事(W、単位J)=圧力(p、Pa)×体積(V、m3)=pΔVで
状態方程式(pΔV=nRΔT)で 分子数と温度(T)に繋げた
※W=pΔV→圧力一定でW=pΔV=nRΔT、ヘリウム混合気のモル数n=3.3mol、気体定数R=8.3J／(mol・k)
※pΔV=nRΔT=W→ΔT=W／(nR)≒1,000J／(3.3×mol×8.3J／(mol・k)≒36K
圧力(p、Pa=N／m2)の単位パスカルは→ 力(N)÷面積(m2)だから
pΔV=Pa・m3=(N／m2)・m3=N・m=膨張仕事(W、単位J)に接続
※m2打ち消しpΔV=をJで表し、mol・k打ち消し、nRΔT=(mol)・(J／(mol・k))・(k)=Jだから
圧力(p、Pa)、体積(V、m3)、分子数(n、mol)、
温度(T、K)を単位ジュール(J)で統一に成功
化学爆発(Q=ΔU) 分子(nR)暴れ
→温度(T)上げ→体積(V)が膨張(W=pΔV、単位J)→
ピストン圧(Pa、(N／m2))で1,000(N)の力(F)
クラッチ噛まし 羽根車回し 水分子の±織りなす
※F(1N)=m(1kg)×a(1m／s2)よりm(100kg)×g(10m／s2)=1,000Nとなり
仕事(W、単位J)=力(N)×距離(m)で1,000J=m(100kg)×g(10m／s2)×h(1m）
水(10kg)の比熱(4.2×103J／(kg・k))に 摩擦で渡す温度は0.023℃
※Q(J)=mcΔT=1,000J→ΔT=Q／mc→ΔT=1,000J／(10kg×4.2×103J／(kg・k))≒0.023℃
1,000Jの仕事(W)量はチャリ漕ぐ程度 これを端折り
コンロで湯沸かせば秒だと気づく 車輪の再発明