ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ

Α. Το έργο W της τριβής F για μετατόπιση s (κατά τη διεύθυνση της τριβής) υπολογίζεται από την εξίσωση W = Fs. Μονάδα έργου είναι το 1J (Joule)=1Nm. Δηλαδή είναι το έργο που πραγματοποιεί δύναμη 1Ν (Newton) για μετατόπιση κατά τη διεύθυνσή της ίση με 1m. Β. Η θερμότητα Q που απορροφά ένα σώμα είναι ανάλογη με τη μάζα του m, ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας Δθ και εξαρτάται από το υλικό του σώματος. Ισχύει δηλαδή η εξίσωση Q = cmΔθ όπου ο συντελεστής c έχει ορισμένη τιμή για κάθε υλικό και ονομάζεται ειδική θερμότητα του υλικού. Μονάδα θερμότητας είναι το 1J (Joule). Συχνά χρησιμοποιείται ως μονάδα θερμότητας η θερμίδα (1cal). Μία θερμίδα είναι η ποσότητα θερμότητας που χρειάζεται 1g νερού για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 1°C. Γ. Η πειραματική διάταξη για τη μετατροπή μηχανικού έργου σε θερμότητα (και για την εύρεση της σχέσης μεταξύ Joule και θερμίδας) φαίνεται στην εικόνα 10.1. Αποτελείται από ένα χάλκινο τύμπανο, εικόνα 10.1α, το οποίο παίζει το ρόλο θερμιδομέτρου. Το τύμπανο περιέχει ορισμένη ποσότητα νερού και είναι πωματισμένο με ελαστικό πώμα το οποίο φέρει ένα ευαίσθητο θερμόμετρο. Το τύμπανο μπορεί να περιστρέφεται με τη βοήθεια στροφάλου, εικόνα 10.1β. Το χάλκινο συρματόσχοινο (ταινία) που περιτυλίσσει το τύμπανο, αρκετές φορές συνδέεται από τη μία άκρη του με σπειροειδές ελατήριο. Από την άλλη άκρη του συνδέεται με ένα βαρίδι μάζας 5kg (βάρους 49,05Ν).

Εικόνα 10.1

Αν περιστρέφεται το τύμπανο με τέτοια ταχύτητα, ώστε το ελατήριο να είναι ελάχιστα τεντωμένο (να έχει σχεδόν το φυσικό του μήκος), τότε όλο το βάρος του κρεμασμένου σώματος (49,05Ν) θα ασκείται στο τύμπανο κατά τη διεύθυνση της εφαπτομένης του. Επίσης, στην περίπτωση αυτή μπορούμε να πούμε, ότι το κρεμασμένο σώμα συγκρατείται από την τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ της κυλινδρικής επιφάνειας και του χάλκινου συρματόσχοινου. Δηλαδή η δύναμη της τριβής αντισταθμίζει διαρκώς το βάρος του κρεμασμένου σώματος. Η κυρτή επιφάνεια του κυλίνδρου κινείται λοιπόν σε σχέση με το ακίνητο συρματόσχοινο με τέτοιο τρόπο ώστε να αναπτύσσεται δύναμη τριβής σταθερή σε κάθε περιστροφή και ίση με 49,05Ν. Αν n είναι ο συνολικός αριθμός στροφών, s το μήκος της περιφέρειας του κυλίνδρου και F η δύναμη της τριβής, τότε το έργο της τριβής θα είναι W = nsF ή W = nπdF όπου d η διάμετρος του κυλίνδρου (τυμπάνου). Η τριβή μετατρέπει όλο το έργο σε θερμότητα. Η θερμότητα που προκύπτει από τη μεταβολή αυτή υπολογίζεται από το θεμελιώδη νόμο της θερμιδομετρίας Q = (c1m1 + c2m2)Δθ όπου c1 είναι η ειδική θερμότητα του νερού, m1 η μάζα του νερού, c2 η ειδική θερμότητα του χαλκού και m2 η μάζα του χάλκινου τυμπάνου.

ΟΡΓΑΝΑ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ Τυποποιημένη συσκευή μετατροπής μηχανικού έργου σε θερμότητα η οποία αποτελείται από τα εξής μέρη: - Θερμιδόμετρο (χάλκινο τύμπανο με οπή και ορειχάλκινο βιδωτό σωλήνα) μάζας 100g περίπου. - Άξονας περιστροφής στον οποίο προσαρμόζεται το χάλκινο τύμπανο. - Στρόφαλος (μανιβέλα) που συνδέεται με τον άξονα περιστροφής και θέτει αυτόν και το τύμπανο σε περιστροφή. - Βάση επάνω στην οποία είναι στερεωμένος ο άξονας περιστροφής. - Δύο σφιγκτήρες τύπου C για τη στερέωση της βάσης επάνω στο τραπέζι. - Σπειροειδές ελατήριο στερεωμένο στο ένα άκρο του σε στέλεχος της βάσης. - Πώμα με οπή για την τοποθέτηση θερμομέτρου. - Θερμόμετρο ευαίσθητο (με υποδιαιρέσεις [pic] ή [pic] του βαθμού) από -10° έως +40°C. - Καθρέφτης στερεωμένος στη βάση της συσκευής κάτω από το θερμόμετρο. - Χάλκινο συρματόσχοινο (ταινία). - Βαρίδι με άγκιστρο μάζας 5kg. - Ζυγός. - Διαστημόμετρο (ή διαφανές υποδεκάμετρο).