James Prescott Joule — angielski fizyk, prawo Joule’a i jednostka dżul
Poznaj Jamesa Prescotta Joule'a — odkrywcę prawa Joule’a, współtwórcę efektu Joule'a‑Thomsona i twórcę jednostki dżul. Historia, odkrycia i znaczenie
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.
Wczesne życie
Syn Benjamina Joule'a (1784-1858), bogatego piwowara, James Prescott Joule urodził się w domu obok browaru Joule'a przy New Bailey Street w Salford 24 grudnia 1818 roku. James pobierał nauki w domu rodzinnym "Broomhill", Pendlebury, niedaleko Salford, do 1834 roku, kiedy to został wysłany, wraz ze swoim starszym bratem Benjaminem, na studia do Johna Daltona w Manchester Literary and Philosophical Society. Otrzymali tylko dwa lata edukacji w arytmetyce i geometrii, zanim Dalton został zmuszony do przejścia na emeryturę z powodu udaru.
1892 ilustracja Joule'a
Teoria kinetyczna
Kinetyka jest nauką o ruchu. Joule był uczniem Daltona i nie jest niespodzianką, że nauczył się mocnej wiary w teorię atomu, mimo że wielu naukowców jego czasów było jeszcze sceptycznych. Był również jednym z niewielu ludzi otwartych na prace Johna Herapatha nad kinetyczną teorią gazów. Ponadto duży wpływ wywarła na niego praca Petera Ewarta z 1813 roku O miarze siły poruszającej.
James Prescott Joule
Pytania i odpowiedzi
P: Kim był James Prescott Joule?
O: James Prescott Joule był angielskim fizykiem urodzonym niedaleko Manchesteru.
P: Jaki był wkład Jamesa Prescotta Joule'a w rozwój elektryczności?
O: James Prescott Joule jest najbardziej znany z odkrycia prawa Joule'a, które opisuje ogrzewanie elektryczne.
P: Co mówi prawo Joule'a?
O: Prawo Joule'a mówi, że ilość ciepła wytwarzanego w każdej sekundzie w przewodniku przez prąd elektryczny jest proporcjonalna do rezystancji przewodnika i do kwadratu natężenia prądu.
P: Jaka jest jednostka prawa Joule'a?
O: Jednostką prawa Joule'a jest dżul, który jest równy jednej watosekundzie.
P: Z kim współpracował James Prescott Joule, aby odkryć efekt Joule'a-Thomsona?
O: James Prescott Joule współpracował z Williamem Thomsonem nad odkryciem efektu Joule'a-Thomsona.
P: Czym jest efekt Joule'a-Thomsona?
O: Efekt Joule'a-Thomsona to zasada, zgodnie z którą temperatura gazu spada wraz z jego rozszerzaniem się.
P: Kiedy żył i kiedy zmarł James Prescott Joule?
O: James Prescott Joule urodził się 24 grudnia 1818 roku, a zmarł 11 października 1889 roku.
Przeszukaj encyklopedię