Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes

Mécanique Intermédiaire Gratuit VR · AR
Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – Mécanique
Joule's Paddle Wheel — Where Lost Energy Goes – Mécanique

Où va l'énergie quand elle semble disparaître — quand deux voitures se percutent et se froissent, ou quand une masse tombe sans rebondir ? Dans les années 1840, James Prescott Joule a répondu avec des masses qui tombent, des palettes et un thermomètre. Voici une copie de paillasse de son idée : deux masses de plomb pendent à des cordes enroulées sur un tambour et, en tombant, font tourner un axe portant quatre étages de palettes en laiton, à l'intérieur d'un récipient en cuivre isolé rempli d'eau, montré en coupe. Des ailettes fixes sur la paroi empêchent l'eau de tourner d'un bloc, si bien que les palettes la brassent. Appuyez sur lecture : les masses tombent 20 fois et sont remontées entre deux chutes, pendant qu'un gros plan montre l'intérieur du récipient, que le thermomètre monte peu à peu et que le graphique reçoit un point par chute.

Comment utiliser cette simulation

Ce qu’il faut observer

La physique derrière

À chaque chute, les deux masses perdent une énergie potentielle de pesanteur 2mgh = 2 × 10 × 9,8 × 1,50 = 294 J. Elles n'accélèrent pas : la traînée des palettes croît comme le carré de la vitesse, si bien qu'en quelques millisecondes les masses atteignent une vitesse constante de 6,0 cm/s et arrivent en bas avec seulement ½ × 20 × 0,060² = 0,036 J d'énergie cinétique, absorbée par les butées en feutre. Tout le reste, 293,96 J, est le travail des palettes sur l'eau ; il apparaît comme énergie interne de l'eau et du cuivre, qui partagent une même température. Leur capacité thermique vaut C = 0,60 × 4186 + 0,50 × 385 = 2511,6 + 192,5 = 2704 J/K : chaque chute les réchauffe de 0,109 K, et les 20 chutes d'une série, 5880 J, font passer l'eau de 20,00 °C à 22,17 °C. Le bilan est exact : n·2mgh = CΔT + n·Eₖ. Le travail divisé par l'élévation de température reste à 2704 J/K après chaque chute, donc les points du graphique s'alignent sur une même droite passant par l'origine, de pente 1/C : deux fois plus de travail, deux fois plus d'élévation. C'est la preuve que l'énergie n'a pas été perdue. L'énergie cinétique qui « disparaît » quand deux corps se heurtent et restent collés suit le même chemin : elle devient de l'énergie interne, un léger échauffement des corps. Joule a suivi ce raisonnement pour mesurer l'équivalent mécanique de la chaleur ; les nombres d'ici sont ceux de cette copie de paillasse, pas ceux de son appareil.

Joulemechanical equivalent of heatinternal energyworkheat capacityconservation of energyinelastic collision3D