Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes

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Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – Mechanik
Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – Mechanik

Wohin geht Energie, wenn sie zu verschwinden scheint – wenn zwei Autos zusammenstoßen und sich verformen oder wenn ein Gewicht fällt und nicht zurückprallt? In den 1840er-Jahren antwortete James Prescott Joule mit fallenden Gewichten, Rührflügeln und einem Thermometer. Dies ist ein Labornachbau seiner Idee: Zwei Bleigewichte hängen an Schnüren, die auf eine Trommel gewickelt sind, und beim Fallen dreht die Trommel eine Welle mit vier Etagen aus Messingflügeln in einem isolierten, mit Wasser gefüllten Kupfergefäß, das im Schnitt gezeigt wird. Feste Leitbleche an der Gefäßwand verhindern, dass das Wasser einfach mitrotiert, sodass die Flügel es durchwirbeln. Drücke auf Abspielen: Die Gewichte fallen 20-mal und werden zwischen den Fällen wieder hochgekurbelt, während eine Nahaufnahme das Innere des Gefäßes zeigt, das Thermometer langsam steigt und das Diagramm pro Fall einen Punkt sammelt.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Bei jedem Fall verlieren die beiden Gewichte die Lageenergie 2mgh = 2 × 10 × 9,8 × 1,50 = 294 J. Schneller werden sie dabei nicht: Der Widerstand der Flügel wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, sodass die Gewichte nach wenigen Millisekunden gleichmäßig mit 6,0 cm/s sinken und unten mit nur ½ × 20 × 0,060² = 0,036 J Bewegungsenergie ankommen, die in die Filzpuffer geht. Alles Übrige, 293,96 J, ist Arbeit der Flügel am Wasser und erscheint als innere Energie von Wasser und Kupfer, die dieselbe Temperatur haben. Ihre Wärmekapazität ist C = 0,60 × 4186 + 0,50 × 385 = 2511,6 + 192,5 = 2704 J/K; jeder Fall erwärmt sie also um 0,109 K, und die 20 Fälle eines Durchgangs, 5880 J, bringen das Wasser von 20,00 °C auf 22,17 °C. Die Bilanz geht genau auf: n·2mgh = CΔT + n·Eₖ. Arbeit geteilt durch Temperaturanstieg bleibt nach jedem Fall bei 2704 J/K, deshalb liegen die Punkte im Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung 1/C: doppelte Arbeit, doppelter Anstieg. Das ist der Beleg dafür, dass die Energie nicht verloren ging. Die Bewegungsenergie, die „verschwindet“, wenn zwei Körper zusammenstoßen und aneinander haften bleiben, nimmt denselben Weg – sie wird zu innerer Energie, einer leichten Erwärmung der Körper. Mit derselben Überlegung bestimmte Joule das mechanische Wärmeäquivalent; die Zahlen hier gehören zu diesem Labornachbau, nicht zu seiner Apparatur.

Joulemechanical equivalent of heatinternal energyworkheat capacityconservation of energyinelastic collision3D