James Prescott Joule — angleški fizik, Joulov zakon in enota joule

James Prescott Joule (24. december 1818 - 11. oktober 1889) je bil angleški fizik, rojen v Salfordu blizu Manchestra. V svojem času je veliko prispeval k razvoju elektrike in termodinamike. Najbolj znan je bil po odkritju Joulovega zakona, ki opisuje električno segrevanje z besedami, da je količina toplote, ki jo vsako sekundo proizvede električni tok v vodniku, sorazmerna z upornostjo vodnika in kvadratom toka. Enota za to je joule, ki je enak enemu vat-sekundi. Kasneje je Joule v sodelovanju z Williamom Thomsonom ugotovil, da temperatura plina pada, ko se plin širi. To načelo je bilo poznano kot Joulov-Thomsonov učinek.

James Prescott Joule je izhajal iz družine pivovarskih podjetnikov in je imel slog samouka ter praktičnega eksperimentatorja. Čeprav ni končal univerzitetne izobrazbe v običajnem smislu, je z natančnimi merjenji in premišljenimi poskusi dosegel pomembne znanstvene rezultate, ki so močno vplivali na razvoj fizike 19. stoletja.

Eksperimenti in mehanični ekvivalent toplote

Joule je izvedel več natančnih poskusov, ki so pokazali, da se mehansko delo pretvarja v toploto. Najbol znan je poskus z mešanjem vode, kjer je s pomočjo uteži poganjal lopatice v posodi z vodo in meril zvišanje temperature. S temi meritvami je izračunal razmerje med opravljeno mehansko delo in dobljeno toploto, t. i. mehanični ekvivalent toplote. Njegovo delo je prispevalo k utemeljitvi zakonov o ohranitvi energije in k razvoju prvega zakona termodinamike.

Joulov zakon (električno segrevanje)

Joulov zakon navaja, da je toplota Q, ustvarjena v uporu R pri prehodu toka I v času t, sorazmerna s kvadratom toka, upornostjo in trajanjem: Q = I² R t. Če izrazimo moč (energija na enoto časa), dobimo: P = I² R. Ta preprosta enačba je temeljno načelo pri razumevanju izgube energije v električnih tokokrogih in se uporablja v oblikovanju električnih naprav in varnostnih zaščit.

Joule-Thomsonov učinek

V sodelovanju z Williamom Thomsonom (kasneje Lord Kelvin) je Joule preučeval, kako se temperatura plina spremeni, ko se ta razširi skozi dušilno odprtino brez opravljanja zunanjega dela in brez izmenjave toplote z okolico (adiabatska širitvena proces). Ta pojav, znan kot Joule-Thomsonov učinek, je pomemben pri tehnologijah hlajenja in utekočinjanja plinov: pri mnogih realnih plinih se pri takšni širitvi temperatura zniža, kar je osnovni princip v procesih, kot je kriogenika.

Pomen enote joule in fizikalne enote

Enota joule (J) v SI-sistemu je poimenovana po Jamesu Prescottu Joulu. Enačaj je opredeljen kot en vat-sekunda (1 J = 1 W·s), kar je enako en newton meter (1 N·m) oziroma 1 kg·m²/s². Enota je postala standard pri merjenju energije, dela in toplote ter je prisotna v vseh vejah fizike in inženirstva.

Pomena in zapuščina

Jouletovo dosledno eksperimentalno delo in natančne meritve so prispevale k uveljavitvi koncepta ohranitve energije. Njegovi rezultati so bili del širše znanstvene razprave v 19. stoletju, ki je vključila tudi delo drugih znanstvenikov, kot sta Hermann von Helmholtz in Robert Mayer. Joule je bil priznan s članstvom v uglednih znanstvenih združenjih in je močno vplival na razvoj termodinamike in elektroenergetike. Njegovi poskusi in zaključki ostajajo temeljni del fizične pedagogike in sodobne tehnologije.

Opomba: Joule je znan po skrbno dokumentiranih poskusih in natančnem kvantitativnem pristopu k fizikalnim meritvam, kar predstavlja pomembno stopnjo v prehodu fizike od kvalitativnega opazovanja k kvantitativni znanosti.

Zgodnje življenje

James Prescott Joule, sin Benjamina Joula (1784-1858), bogatega pivovarja, se je rodil 24. decembra 1818 v hiši ob pivovarni Joule na New Bailey Street v Salfordu. James se je do leta 1834 šolal v družinski hiši Broomhill v Pendleburyju blizu Salforda, nato pa je bil skupaj s starejšim bratom Benjaminom poslan na študij k Johnu Daltonu v Manchestrsko literarno in filozofsko družbo. Učila sta se le dve leti aritmetike in geometrije, preden se je Dalton zaradi kapi moral upokojiti.

Joulova ilustracija iz leta 1892

Kinetična teorija

Kinetika je znanost o gibanju. Joule je bil Daltonov učenec, zato ni presenetljivo, da je trdno verjel v atomsko teorijo, čeprav je bilo v njegovem času veliko znanstvenikov, ki so bili še vedno skeptični. Bil je tudi eden redkih, ki je bil dovzeten za delo Johna Herapatha o kinetični teoriji plinov. Nanj je močno vplivalo tudi delo Petra Ewarta iz leta 1813 O merjenju gibljive sile.

James Prescott Joule

Vprašanja in odgovori

V: Kdo je bil James Prescott Joule?

V: Kaj je James Prescott Joule prispeval k razvoju električne energije?

V: Kaj pravi Joulov zakon?

V: Kakšna je enota za Joulov zakon?

V: S kom je James Prescott Joule odkril Joulov-Thomsonov učinek?

V: Kaj je Joulov-Thomsonov učinek?

V: Kdaj je James Prescott Joule živel in kdaj je umrl?

Išči po črki