James Prescott Joule – fizyk angielski, członek Towarzystwa Królewskiego (Royal Society).
Urodził się w Salford koło Manchesteru w rodzinie piwowara. Ze względu na słabe zdrowie, naukę w szkole rozpoczął dopiero mając 15 lat. Jego nauczycielem był John Dalton, który miał na Joule'a wielki wpływ. Wynikiem tego było rozpoczęcie własnych doświadczeń naukowych, które kontynuował i po zakończeniu nauki w szkole.
W 1837 r. Joule, jako 19-letni fizyk-amator pracownik browaru, ogłosił swoją pracę opisującą silnik elektryczny własnego pomysłu. Początkowo interesował się zagadnieniami ciepła, jednak w dalszych pracach podjął się wyjaśnienia własności termicznych prądu elektrycznego. Mając 22 lata odkrył prawo przemiany prądu elektrycznego na ciepło, które przedstawił w formie matematycznej znanej dziś jako prawo Joule'a (zwane również prawem Joula-Lenza), które brzmi:
Ilość wytworzonego przez prąd elektryczny ciepła jest proporcjonalna do oporu danego przewodnika i kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.
Joule prowadził także badania nad bezpośrednią zamianą energii mechanicznej na ciepło oraz pośrednią poprzez sprężanie gazów. Wyznaczył równoważnik mechaniczny ciepła, a wraz z Williamem Thomsonem, odkrył tzw. zjawisko Joule'a Thomsona. Za dokonanie tych prac otrzymywał od roku 1878 nagrodę od królowej angielskiej w postaci stałej dożywotniej pensji.
Dzięki swoim odkryciom w 1850 r. został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a dla uczczenia jego nazwiska jednostkę pracy nazwano joul [J] (wym. dżul).
Prace Joule'a dotyczyły takich pojęć jak:
· Ciepło
· Temperatura
· Energia
· Termodynamika
· Elektromagnetyzm
Sformułował zasadę zachowania energii. Joule zajmował się także zamianą energii mechanicznej w ciepło, bezpośrednio lub też przez sprężenie gazów. Wyznaczył równoważnik mechaniczny ciepła.
Zmarł w rodzinnym Salford mając 71 lat.
Badania Joule’a nad zamianą energii mechanicznej na ciepło:
|
|
Około stu lat temu wykryto nowy trop, który prowadził do pojęcia ciepła, jako postaci energii; odkrywcą tego tropu był Mayer, a jego prawdziwość potwierdził doświadczalnie Joule. Joule potwierdził doświadczalnie przypuszczenie, że ciepło jest postacią energii, i wyznaczył stosunek zamiany.
Energia kinetyczna i potencjalna układu tworzą razem jego energię mechaniczną. W przypadku kolejki z lunaparku podejrzewaliśmy, że część energii mechanicznej zamieniła się w ciepło. Jeśli tak jest, to zarówno tu, jak w innych procesach fizycznych musi pomiędzy tymi dwiema wielkościami – energią mechaniczną a ciepłem – istnieć określony stosunek zamiany. Jest to zagadnienie ściśle ilościowe, ale fakt, że zadaną ilość energii mechanicznej można zamienić na określoną ilość ciepła, jest ogromnie ważny. Chcielibyśmy znać liczbę określającą stosunek zamiany, to znaczy wiedzieć, ile ciepła można otrzymać z zadanej ilości energii mechanicznej.
Wyznaczenie tej liczby było celem badań Joule'a. Mechanizm zastosowany w jednym z jego doświadczeń bardzo przypomina zegar wagowy. Nakręcenie takiego zegara polega na podniesieniu dwóch ciężarków, przez co udziela się układowi energii potencjalnej. Jeżeli później zegara nie rusza się, to można go uważać za układ zamknięty.
Ciężarki stopniowo opadają i zegar chodzi. Po pewnym czasie ciężarki osiągną swe najniższe położenie i zegar stanie. Co się stało z energią? Energia potencjalna ciężarków zamieniła się w energię kinetyczną mechanizmu, a ta z kolei stopniowo rozproszyła się w postaci ciepła.
Pomysłowa odmiana takiego urządzenia pozwoliła Joule'owi zmierzyć stratę ciepła, a tym samym wyznaczyć stosunek zamiany. W przyrządzie Joule'a dwa ciężarki napędzały obracający się w wodzie wiatraczek. Energia potencjalna ciężarków zamieniała się w energię kinetyczną części ruchomych i z kolei w ciepło, które podnosiło temperaturę wody. Joule zmierzył ten przyrost temperatury i znając ciepło właściwe wody, obliczył ilość pochłoniętego ciepła. Wyniki wielu prób ujął następująco:
1. Ilość ciepła wytworzonego w wyniku tarcia ciał zarówno stałych, jak i płynnych jest zawsze proporcjonalna do ilości wydatkowanej siły (przez siłę Joule rozumie energię)
oraz
2. Ilość ciepła wystarczająca do podniesienia temperatury funta wody [ważonej w próżni i mającej temperaturę między
55 a 60°] o 1°F wymaga dla swej przemiany wydatkowania siły [energii] mechanicznej, wyrażonej spadkiem 722 funtów z wysokości jednej stopy.
Innymi słowy, energia potencjalna 772 funtów podniesionych na wysokość jednej stopy jest równoważna ilości ciepła potrzebnej do podniesienia temperatury jednego funta wody od 55°F do 56°F. W późniejszych doświadczeniach udało się osiągnąć większą dokładność i dziś przyjmuje się, że ilości ciepła potrzebnej do podniesienia temperatury jednego kilograma wody od 14,5°C do 15,5°C równoważna jest energia potencjalna 427 kilogramów podniesionych na wysokość jednego metra. Istotnym wynikiem pionierskiej pracy Joule'a było właśnie wyznaczenie mechanicznego równoważnika ciepła.
Uzyskanie tego ważnego wyniku stało się początkiem dalszego szybkiego postępu. Wkrótce zrozumiano, że te rodzaje energii – mechaniczna i cieplna – są tylko dwiema z wielu jej postaci. Wszystko, co można zamienić w jedną z tych dwóch postaci, jest też postacią energii. Promieniowanie Słońca jest energią, gdyż część jego zamienia się na Ziemi w ciepło. Prąd elektryczny posiada energię, gdyż rozgrzewa drut lub obraca wał silnika. Węgiel stanowi przykład energii chemicznej wyzwalanej w postaci ciepła w procesie spalania. Każdemu zjawisku przyrody towarzyszy zamiana jednej postaci energii w drugą – zawsze w ściśle określonym stosunku. W układzie zamkniętym, to znaczy odizolowanym od wpływów zewnętrznych, energia zostaje zachowana, a więc zachowuje się jak substancja. Suma wszystkich możliwych rodzajów energii jest w takim układzie stała, choć ilość energii każdego rodzaju może się zmieniać. Jeśli uważać cały wszechświat za układ zamknięty, to można – wraz z fizykami dziewiętnastego stulecia – dumnie oświadczyć, że energia wszechświata jest niezmienna i że żadna jej część nie może być nigdy stworzona ani zniszczona.
Mamy więc dwa rodzaje substancji, materię i energię. Obydwie podlegają prawom zachowania: ani masa, ani całkowita energia układu odosobnionego nie może się zmienić. Materia jest ważka, energia zaś nieważka. Mamy zatem dwa różne pojęcia i dwa prawa zachowania. Czy poglądy te i dziś jeszcze należy brać poważnie? Czy też może ten pozornie tak dobrze ugruntowany obraz zmienił się w świetle nowszych odkryć? Zmienił się! Dalsze zmiany obu pojęć wiążą się z teorią względności.
Bardzo ciekawie napisane. Pozdrawiam serdecznie.
OdpowiedzUsuń