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Thermodynamik & Wärmeübertragung · AP Physics 2

Joulesches mechanisches Wärmeäquivalent

Experiment von James Prescott Joule: Mechanisches Wärmeäquivalent (1 cal = 4,186 J)

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3D-Simulationsfenster● 60 FPS
Voreinstellungen & typische Fallen:

Experimentelle Steuerungsparameter

kg
m
mal
kg

Echtzeit-Herleitung & Kennzahlen

Mechanische Arbeit gesamt W
--
Wärme in Kalorien
--
Temperaturanstieg des Wassers Δt
--
Gemessenes Wärmeäquivalent J
--
Echtzeit-Formelherleitung
Grundformel: --
Einsetzungsschritte: --
Physikalischer Zustand: --

Typische Beispielaufgaben & Prüfungsfallen

Worked Problem

Aufgabe: Water drops 50m over a waterfall. If all potential energy converts to internal energy, find water temp rise.
Schrittweise Herleitung:
  1. mgh = c*m*Δt => Δt = gh/c = 10*50 / 4200 ≈ 0.119°C.

Worked Problem

Aufgabe: What is the historic significance of Joule's heat equivalent experiment? What theory did it overturn?
Schrittweise Herleitung:
  1. Overturned the dominant caloric fluid theory, proving heat is a form of molecular kinetic energy, establishing the 1st Law.

Arbeitsblatt für den Unterricht & Hausaufgaben

Q1. Variant 1: Why did Joule enclose the paddle-wheel in an insulated double-walled calorimeter?
Q2. Variant 2: If the falling mass impacts the floor with residual kinetic energy, does measured J err high or low?
Q3. Variant 3: How do food nutritional kilojoules (kJ) convert to nutritional dietary calories (kcal)?

Häufige Fragen & typische Missverständnisse

How was the calorie originally defined? What is the official SI unit today?
The heat required to raise 1 gram of air-free water from 14.5°C to 15.5°C at 1 atm. Modern SI universally standardizes on the Joule (J).
Is rubbing your hands together to warm them equivalent to Joule's experiment?
Identical principle! Muscles perform mechanical work against skin sliding friction (W = f*s), converting 100% to internal thermal energy.
What did Count Rumford observe boring cannon barrels that undermined the caloric theory?
Dull drills continuously boiled water indefinitely without depleting cannon metal, proving heat cannot be a finite material substance.
Could you boil a cup of cold water purely by vigorously blending it inside a thermos?
Theoretically yes! Under perfect insulation, paddle blender mechanical work continuously pumps internal energy until 100°C boiling.