James Prescott Joule

James Prescott Joule (24. decembar 1818 – 11. oktobar 1889) bio je engleski fizičar i matematičar i pivar, rođen u Salfordu, Lancashire. Proučavao je prirodu toplote te otkrio njenu povezanost sa mehaničkim radom. Ovo otkriče je dovelo do teorije o održanju energije što je formulisano kao Prvi zakon termodinamike. Mjerna jedinica za energiju, džul (J) dobila je ime po njemu.

James Prescott Joule
Britanski fizičar
Rođenje	(1818-12-24) 24. decembar 1818. Salford, Engleska
Smrt	11. oktobar 1889(1889-10-11) (70 godina) Sale, Engleska
Poznat(a) po	Prvi zakon termodinamike Jouleova toplina Joule-Thomsonov učinak
Supružnik/ci	Amelia Grimes (rođ. 1847; umrla 1854)
Djeca	Benjamin Arthur Alice Amelia Henry

Elektromotor koji je Kelvinu predstavio James Joule 1842. Hunterian Museum, Glasgow.

Radio je i s istaknutim fizičarom Lordom Kelvinom razvijajući tabelu (skalu) za temperaturu koja je nazvana Kelvinova skala, a otkrio je i vezu između toka električne struje kroz otpornik i disipacije toplote što je u njegovu čast nazvano Prvi Jouleov zakon. Njegovi eksperimenti o energetskim transformacijama prvi put su objavljeni 1843.

Rane godine

Rođen je 1818, kao sin Benjamina Joulea (1784–1858), bogatog pivara, i njegove supruge Alice Prescott u ulici New Bailey u Salfordu. Joulea je kao mladića podučavao poznati naučnik John Dalton, a bio je pod jakim utjecajem hemičara Williama Henryja i inžinjera iz Manchestera Petera Ewarta i Eatona Hodgkinsona. Bio je fasciniran strujom, a on i njegov brat su eksperimentisali dajući elektrošokove jedni drugima i porodičnim slugama.

Kao odrasla osoba, Joule je upravljao pivarom. Nauka je bila samo ozbiljan hobi. Negdje oko 1840. počeo je istraživati izvodljivost zamjene parnih strojeva pivare s novoizumljenim električnim motorom. Njegovi prvi naučni radovi na ovu temu bili su priloženi u Annals of Electricity Williama Sturgeona. Joule je bio član Londonskog elektrotehničkog društva, kojeg su osnovali Sturgeon i drugi.

Motivisan dijelom poslovnom željom da kvantifikuje ekonomičnost izbora, a dijelom i njegovom naučnom radoznalošću, krenuo je da odredi koji je glavni pokretač efikasniji. On je otkrio prvi Jouleov zakon 1841, da je "toplina koja se razvija pravilnim djelovanjem bilo koje naponske struje proporcionalna kvadratu intenziteta te struje, pomnoženoj otporom provodljivosti koji ona doživljava". Dalje je shvatio da je spaljivanje funte uglja u parnoj mašini ekonomičnije od skupe funte cinka koji se troši u električnoj bateriji. Joule je uhvatio izlaz alternativnih metoda u smislu zajedničkog standarda, sposobnosti podizanja mase težine jedne funte na visinu od jedne stope, stopa-funta.

Međutim, Jouleov interes skrenuo je sa uskog finansijskog pitanja na pitanje koliko se rada može izvući iz datog izvora, što ga je navelo da spekuliše o konvertibilnosti energije. Godine 1843. objavio je rezultate eksperimenata koji pokazuju da je efekat grijanja koji je kvantificirao 1841. posljedica stvaranja toplote u provodniku, a ne njenog prijenosa s drugog dijela opreme. Ovo je bio direktan izazov kalorijskoj teoriji koja je smatrala da se toplota ne može niti stvoriti niti uništiti. Teorija je dominirala u nauci o toploti otkako ju je uveo Antoine Lavoisier 1783. Lavoisierov prestiž i praktični uspjeh Sadi Carnotove kalorijske teorije o toplotnoj mašini od 1824. osigurali su da mladi Joule, radeći izvan akademske ili inžinjerske profesije, imao težak put ispred sebe dokazujući svoju teoriju. Pristalice kalorijske teorije spremno su ukazivale na simetriju Peltier-Seebeck efekta tvrdeći da se toplota i struja mogu pretvoriti u, barem približno, reverzibilan proces.

Mehanički ekvivalent toplote

Dalji eksperimenti i mjerenja s njegovim elektromotorom naveli su Joulea da procijeni mehanički ekvivalent toplote na 4,1868 džula po kaloriji rada za podizanje temperature jednog grama vode za jedan Kelvin. Njegova objava u hemijskom odjeljku Britanske asocijacije za unapređenje nauke u Corku u avgustu 1843. što je dočekano tišinom.

Joule se nije uplašio i počeo je tražiti čisto mehaničku demonstraciju pretvaranja rada u toplinu. Forsirajući vodu kroz perforirani cilindar, mogao je izmjeriti blago viskozno zagrijavanje tekućine. Dobio je mehanički ekvivalent sile od 770 funti po britanskoj termalnoj jedinici (4.140 J/Cal). Činjenica da su vrijednosti dobijene i električnim i čisto mehaničkim sredstvima bile u saglasnosti s barem jednim redom veličine, za Joulea je uvjerljiv dokaz realnosti pretvaranja rada u toplinu.

Gde god se troši mehanička sila, uvijek se dobija tačan ekvivalent toplote. — J.P. Joule, avgust 1843

Joule je sada pokušao treći put. Izmjerio je proizvedenu toplotu u odnosu na rad obavljen pri kompresiji plina. Dobio je mehanički ekvivalent sile od 798 funti po britanskoj termalnoj jedinici (4.290 J/Cal). Na mnogo načina, ovaj eksperiment je ponudio najlakšu metu za Jouleove kritičare, ali Joule je pametnim eksperimentisanjem riješio očekivane prigovore. Joule je pročitao svoj rad Kraljevskom društvu 20. juna 1844, ali je njegov rad odbijen za objavljivanje i morao se zadovoljiti objavljivanjem u Philosophical Magazinu 1845. U radu je bio iskren u svom odbacivanju kaloričnog rezonovanja Carnota i Emilea Clapeyrona, odbacivanje dijelom teološki vođeno:

Smatram da je ova teorija ... suprotna priznatim principima filozofije jer dovodi do zaključka da vis viva može biti uništena nepravilnim rasporedom aparata: Tako g. Clapeyron izvodi zaključak da je "temperatura vatre Za 1000 °C do 2000 °C više od kotla dolazi do enormnog gubitka vis viva u prolazu topline od peći do kotla.' Vjerujući da moć uništavanja pripada samo Stvoritelju, potvrđujem... da je svaka teorija koja, kada se izvede, zahtijeva uništenje sile, nužno pogrešna.

Joule ovdje usvaja jezik vis viva (energija), vjerovatno zato što je Hodgkinson pročitao recenziju Ewartove knjige "O mjeri pokretačke sile" u Književnom i filozofskom društvu u aprilu 1844. Joule je u svom radu iz 1844. napisao:

... mehanička snaga pri okretanju magneto-električne mašine pretvara se u toplotu koja se razvija prolaskom struja indukcije kroz njene zavojnice; i, s druge strane, da se pogonska snaga elektromagnetnog motora dobija na račun toplote usled hemijskih reakcija baterije kojom on radi.

U junu 1845, Joule je pročitao svoj rad O mehaničkom ekvivalentu topline na sastanku Britanskog udruženja u Cambridgeu. U ovom radu izvijestio je o svom najpoznatijem eksperimentu, koji uključuje korištenje padajućeg tega, u kojem gravitacija obavlja mehanički rad, za okretanje lopatice u izoliranom buretu s vodom što je povećalo temperaturu. Sada je procijenio mehanički ekvivalent sile od 819 stopa funti po britanskoj termalnoj jedinici (4.404 J/Cal). Napisao je pismo za Philosophical Magazine, objavljeno u septembru 1845, opisujući svoj eksperiment.

Jouleov toplotni aparat, 1845

1850. Joule je objavio preciznije mjerenje sile od 772.692 stopa-funt po britanskoj termalnoj jedinici (4.150 J/Cal), bliže procjenama iz dvadesetog stoljeća.

Prihvatanje teorije

Jouleov aparat za mjerenje mehaničkog ekvivalenta toplote

Veliki dio početnog otpora na Jouleov rad proizašao je iz njegove ovisnosti o izuzetno preciznim mjerenjima. Tvrdio je da je u stanju da izmeri temperaturu do 1⁄200 stepena Farenhajta (3 mK). Takva preciznost je svakako bila neuobičajena u savremenoj eksperimentalnoj fizici, ali skeptici su možda zanemarili njegovo iskustvo u pivarstvu i njegov pristup praktičnim tehnologijama. Također ga je dobro podržao tvorac naučnih instrumenata John Benjamin Dancer. Jouleovi eksperimenti dopunili su teorijski rad Rudolfa Clausiusa, kojeg neki smatraju idejnim tvorcem energetskog koncepta.

Joule je predlagao kinetičku teoriju toplote (vjerovao je da je to oblik rotacijske, a ne translacijske, kinetičke energije), a što je zahtijevalo konceptualni skok: ako je toplota bila oblik molekularnog kretanja, zašto kretanje molekula ne odumre postepeno? Jouleove ideje zahtijevale su vjerovanje da su sudari molekula savršeno elastični. Važno je da samo postojanje atoma i molekula nije bilo široko prihvaćeno još 50 godina.

Iako je danas možda teško razumjeti privlačnost kalorijske teorije, u to vrijeme činilo se da ona ima neke jasne prednosti. Carnotova uspješna teorija toplotnih motora također je bila zasnovana na kalorijskoj pretpostavci, a tek kasnije je lord Kelvin dokazao da je Carnotova matematika jednako valjana bez pretpostavke kaloričnog fluida.

Međutim, u Njemačkoj Hermann Helmholtz je postao svjestan Jouleovog rada i sličnog rada Juliusa Roberta von Mayera iz 1842. Iako su obojica bili zanemareni od svojih izdavača, Helmholtzova konačna izjava o očuvanju energije iz 1847. pripisuje autorstvo obojici.

Također 1847, još jednoj od Joulovih prezentacija u Britanskoj asocijaciji u Oxfordu prisustvovali su George Gabriel Stokes, Michael Faraday i William Thomson, koji je kasnije postao lord Kelvin, koji je upravo bio imenovan za profesora prirodne filozofije na Univerzitetu u Glasgowu. Stokes je bio "sklon da bude Julit", a Faraday je bio "zapanjen terorijom" iako je gajio sumnje. Thomson je bio zaintrigiran, ali skeptičan.

Neočekivano, Thomson i Joule su se sreli kasnije te godine u Chamonixu. Joule se oženio Ameliom Grimes 18. augusta i par je otišao na medeni mjesec. Bez obzira na bračni entuzijazam, Joule i Thomson dogovorili su se da nekoliko dana kasnije pokušaju eksperimentisati kako bi izmjerili temperaturnu razliku između vrha i dna vodopada Cascade de Sallanches, iako se to kasnije pokazalo nepraktičnim.

U svom izveštaju o apsolutnoj temperaturi iz 1848. Thomson je napisao da je "pretvaranje toplote (ili kalorija) u mehaničku snagu verovatno nemoguće, svakako neotkriveno" - ali fusnota je signalizirala njegove prve sumnje u kaloričnu teoriju, pozivajući se na na Jouleova "veoma izvanredna otkrića". Iznenađujuće, Thomson nije poslao Jouleu kopiju svog rada, ali kada je Joule na kraju pročitao, pisao je Thomsonu 6. oktobra, tvrdeći da su njegove studije pokazale pretvaranje toplote u rad, ali i da planira dalje eksperimente. Thomson je odgovorio 27, otkrivajući da planira svoje eksperimente i nada se pomirenju njihova dva pogleda. Iako Thomson nije provodio nove eksperimente, u naredne dvije godine postao je sve nezadovoljniji Carnotovom teorijom i uvjeren u Jouleovu. U svom radu iz 1851. Thomson nije bio voljan ići dalje od kompromisa i izjavio je da je "cijela teorija pokretačke snage toplote zasnovana na dvije propozicije, respektivno, Jouleu, te Carnotu i Clausiusu".

Čim je Joule pročitao novine, napisao je Thomsonu sa svojim komentarima i pitanjima. Tako je započela plodna, iako uglavnom epistolarna, saradnja između njih dvojice, Joulea koji je provodio eksperimente, Thomsona koji je analizirao rezultate i predlagao daljnje eksperimente. Saradnja je trajala od 1852. do 1856, njena otkrića su uključivala i Joule–Thomsonov efekat, a objavljeni rezultati su mnogo doprinijeli općem prihvaćanju Jouleovog rada i kinetičke teorije.

Kinetička teorija

Kinetika je nauka o kretanju. Joule je bio Daltonov učenik i nije iznenađenje što je naučio čvrsto vjerovati u teoriju atoma, iako je bilo mnogo naučnika njegovog vremena koji su još uvijek bili skeptični. On je također bio jedan od rijetkih ljudi koji su prihvatili zanemareni rad Johna Herapatha o kinetičkoj teoriji gasova. Na njega je dalje duboko utjecao rad Petera Ewarta iz 1813. "O mjeri pokretne sile".

Joule je uočio vezu između njegovih otkrića i kinetičke teorije toplote. Njegovi laboratorijski spisi otkrivaju da je vjerovao da je toplota oblik rotacijskog, a ne translacijskog kretanja.

Joule nije mogao odoljeti da ne pronađe prethodnike svojih stavova u Francis Baconu, Isaac Newtonu, John Lockeu, Benjamin Thompsonu i Sir Humphry Davyju. Iako su takvi stavovi opravdani, Joule je nastavio da procjenjuje vrijednost mehaničkog ekvivalenta toplote od 1.034 stope funte iz Rumfordovih publikacija. Neki moderni pisci kritizirali su ovaj pristup na osnovu toga što Rumfordovi eksperimenti ni na koji način nisu predstavljali sistematska kvantitativna mjerenja. U jednoj od svojih ličnih bilješki, Joule tvrdi da Mayerovo mjerenje nije bilo tačnije od Rumfordovog, možda u nadi da Mayer nije predvidio svoj rad.

Jouleu se pripisuje objašnjenje fenomena zelenog bljeska zalaska sunca u pismu Mančesterskom književnom i filozofskom društvu 1869; zapravo, on je samo zabilježio (sa skicom) posljednji pogled kao plavkasto zelen, bez pokušaja da objasni uzrok fenomena.

Kinetička teorija

James Prescott Joule

Kinetika je nauka o kretanju. Joule je bio Daltonov učenik i nije iznenađenje što je naučio čvrsto vjerovati u teoriju atoma, iako je bilo mnogo naučnika njegovog vremena koji su još uvijek bili skeptični. On je također bio jedan od rijetkih ljudi koji su prihvatili zanemareni rad Johna Herapatha o kinetičkoj teoriji gasova. Na njega je dalje duboko utjecao rad Petera Ewarta iz 1813. "O mjeri pokretne sile".

Joule je uočio vezu između njegovih otkrića i kinetičke teorije toplote. Njegovi laboratorijski spisi otkrivaju da je vjerovao da je toplota oblik rotacijskog, a ne translacijskog kretanja.

Joule nije mogao odoljeti da ne pronađe prethodnike svojih stavova u Francis Baconu, Isaac Newtonu, John Lockeu, Benjamin Thompsonu i Sir Humphry Davyju. Iako su takvi stavovi opravdani, Joule je nastavio da procjenjuje vrijednost mehaničkog ekvivalenta toplote od 1.034 stope funte iz Rumfordovih publikacija. Neki moderni pisci kritizirali su ovaj pristup na osnovu toga što Rumfordovi eksperimenti ni na koji način nisu predstavljali sistematska kvantitativna mjerenja. U jednoj od svojih ličnih bilješki, Joule tvrdi da Mayerovo mjerenje nije bilo tačnije od Rumfordovog, možda u nadi da Mayer nije predvidio svoj rad.

Jouleu se pripisuje objašnjenje fenomena zelenog bljeska zalaska sunca u pismu Mančesterskom književnom i filozofskom društvu 1869.; zapravo, on je samo zabilježio (sa skicom) posljednji pogled kao plavkasto zelen, bez pokušaja da objasni uzrok fenomena.

Dodatna literatura

• Bottomley, J. T. (1882). "James Prescott Joule". Nature. 26 (678): 617–620. Bibcode:1882Natur..26..617B. doi:10.1038/026617a0.
• Forrester, J. (1975). "Chemistry and the Conservation of Energy: The Work of James Prescott Joule". Studies in the History and Philosophy of Science. 6 (4): 273–313. Bibcode:1975SHPSA...6..273F. doi:10.1016/0039-3681(75)90025-4.
• Fox, R, "James Prescott Joule, 1818–1889", in North, J. (1969). Mid-nineteenth-century scientists. Elsevier. str. 72–103. ISBN 0-7190-3479-5.
• Glazebrook, Richard Tetley (1892). "Joule, James Prescott" . u Lee, Sidney (ured.). Dictionary of National Biography (jezik: engleski). 30. London: Smith, Elder & Co.
• Reynolds, Osbourne (1892). Memoir of James Prescott Joule. 6. Manchester, England: Manchester Literary and Philosophical Society. Pristupljeno 5. 3. 2014.
• Smith, C. (1998). The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. London: Heinemann. ISBN 0-485-11431-3.
• Smith, Crosbie (6. 1. 2011). "Joule, James Prescott". Oxford Dictionary of National Biography (online izd.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/15139. (Subscription or UK public library membership required.)
• Smith, C.; Wise, M.N. (1989). Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin. Cambridge University Press. ISBN 0-521-26173-2.
• Steffens, H.J. (1979). James Prescott Joule and the Concept of Energy. Watson. ISBN 0-88202-170-2.
• Walker, James (1950). Physics 4th Edition. Pearson. ISBN 978-0-321-54163-5.
• "Obituary : Dr. Joule". Electrical Engineer. London: Biggs & Co (18 October): 311–312. 1889. James Joule obituary.

Vanjski linkovi

• The scientific papers of James Prescott Joule (1884) – annotated by Joule
• The joint scientific papers of James Prescott Joule (1887) – annotated by Joule
• Classic papers of 1845 and 1847 at ChemTeam website On the Mechanical Equivalent of Heat and On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
• Joule's water friction apparatus at London Science Museum
• Some Remarks on Heat and the Constitution of Elastic Fluids, Joule's 1851 estimate of the speed of a gas molecule
• Joule Manuscripts at John Rylands Library, Manchester.
• University of Manchester material on Joule – includes photographs of Joule's house and gravesite
• Joule Physics Laboratory at the University of Salford