James Prescott Joule (24 grudnia 1818 - 11 października 1889) był angielskim fizykiem, urodzonym w Salford, niedaleko Manchesteru. W swoim czasie miał wielki wkład w świat elektryczności i termodynamiki. Najbardziej znany był z odkrycia prawa Joule'a, które opisywało ogrzewanie elektryczne, mówiąc, że ilość ciepła wytwarzana w każdej sekundzie w przewodniku przez prąd elektryczny jest proporcjonalna do oporu przewodnika i kwadratu natężenia prądu. Jednostką określającą to zjawisko jest dżul, równy jednemu watosekundowi. Później Joule współpracował z Williamem Thomsonem, aby odkryć, że temperatura gazu spada, gdy gaz się rozszerza. Zasada ta była wówczas znana jako efekt Joule'a-Thomsona.
Prawo Joule'a i wzory
Prawo Joule'a opisuje ilość ciepła wydzielanego w przewodniku przez przepływający prąd elektryczny. W postaci ilości ciepła wydzielonego w czasie t formuła ma postać: Q = I² R t, gdzie I to natężenie prądu, R — opór przewodnika, a t — czas. W formie mocy wydzielanej w danej chwili mamy: P = I² R. Prawo to jest podstawą opisu strat cieplnych w elementach elektrycznych i jest powszechnie stosowane w inżynierii elektrycznej.
Równoważność mechaniczna ciepła — doświadczenia
Joule przeprowadził także szereg precyzyjnych doświadczeń, które wykazały związek między pracą mechaniczną a wydzielanym ciepłem. Najsłynniejszy eksperyment z tzw. kołem łopatkowym polegał na tym, że opadające ciężary napędzały łopatki mieszające wodę; ruch mechaniczny powodował podniesienie temperatury wody, co Joule mierzył bardzo dokładnie. Wyniki tych badań pozwoliły mu wyznaczyć tzw. mechaniczną równoważność ciepła i wzmocniły ideę zachowania energii, stanowiąc ważny wkład w sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki.
Efekt Joule'a–Thomsona
Współpraca z Williamem Thomsonem (później lordem Kelvinem) zaowocowała opisaniem zjawiska znanego jako efekt Joule'a–Thomsona. Polega ono na zmianie temperatury gazu przy jego rozprężaniu bez wymiany ciepła z otoczeniem (proces izentalpiczny, np. przepływ przez zawór dławiący). Dla większości gazów pod normalnymi warunkami efekt ten prowadzi do ochłodzenia; istnieje jednak tzw. temperatura inwersji, powyżej której rozprężanie może powodować ogrzewanie zamiast ochładzania. Efekt ten ma praktyczne zastosowanie przy chłodzeniu i procesach rozdziału gazów.
Inne prace i osiągnięcia
Joule prowadził także badania w dziedzinie magnetyzmu (między innymi nad magnetostrykcją) oraz nad własnościami prądów elektrycznych. Jego precyzyjne pomiary i konsekwentne eksperymenty przyczyniły się do ugruntowania eksperymentalnych podstaw termodynamiki i teorii energii.
Jednostka dżul i dziedzictwo
W uznaniu zasług naukowych jego nazwisko zostało nadane jednostce pracy i energii — dżul (symbol J). 1 dżul odpowiada jednemu niutonometrowi (1 N·m) i jest równy jednemu watosekundowi (1 W·s). Prace Joule'a miały trwały wpływ na rozwój fizyki oraz techniki energetycznej; jego eksperymenty i współpraca z Thomsonem przyczyniły się do rozwoju nowoczesnej termodynamiki i technologii chłodniczych.
Joule pozostaje jedną z kluczowych postaci XIX‑wiecznej fizyki eksperymentalnej — badacza, który dzięki starannym pomiarom pomógł przekształcić idee o ciepłe i energii w spójną naukową teorię.
