زندگینامه جیمز ژول و نقش او در پیشبرد علم

جیمز ژول ۱۹۲۰ – ۱۸۱۸ در سال ۱۸۴۰ خواص قانون ژول را کشف کرده در دهه ۱۸۴۰ اصل بقای (پایستگی انرژی تعیین‌شده در سال ۱۸۴۹ معادل مکانیکی گرما انتشار یافت و در سال ۱۸۵۲ تا ۱۸۵۹ همراه با ویلیام تامسون (که بعدها لرد کلوین نام گرفت) اثر ژول-تامسون را شرح داد.

در قرن نوزدهم دانشمندان هنوز به طور کامل خصوصیات گرما را درک نمی‌کردند. بر طبق تصور رایج، اشکال بسیار گذرایی از سیال بود که توسط ماده حفظ و آزاد می‌شد که «کالری» نامیده می‌شد. تدریجاً این نظریه که این فقط شکل دیگری از انژری است به عنوان حرکت مولکول‌ها عنوان شد و جمع‌آوری دلیل آغاز شد. بخش جزئی از آن که با کار این انگلیسی یعنی جیمز ژول مرتبط بود قابل فهم شد؛ او کسی بود که در ایجاد علم ترمودینامیک در حال شکل‌گیری سهم چشمگیری داشت.

ژول، ماءالشعیرساز

در واقع، حرفه جیمز ژول ماءالشعیرسازی بود و نه یک دانشمند تمام وقت. او به منظور کار کردن در طول زندگی‌اش در ماءالشعیرسازی پدر ثروتمندش از تحصیلات رسمی سودی نبرده بود و در واقع هرگز به دانشگاه و یا داشتن سمتی علمی در طول زندگی‌اش توجهٔ نکرد، چیزی که تمام یافته‌های وی را قابل ملاحظه‌تر می‌کرد.

علاقه وی به پدیده گرما منجر به این شد که پدرش برای وی آزمایشگاهی در نزدیکی ماءالشعیر سازی بسازد. این موضوع بر مطالعات ژول در باقیمانده طول دوران زندگی‌اش حکم‌فرما بود.

درک گرما

جیمز ژول شروع به بررسی رابطهٔ بین جریان و مقاومت‌الکتریکی و گرمایی کرد که آن‌ها تولید می‌کردند. در سال ۱۸۴۰ این امر منجر به نخستین دستاورد اصلی وی یعنی ارائه «قانون ژول» شد که به زبان ریاضی رابطهٔ بین جریان و مقاومت‌الکتریکی موجود در سیمی حامل جریان را بر اساس مقدار گرمای آزادشده تعیین می‌کرد. این موضوع به‌طور عمده هنگامی اهمیت یافت که مفهومش این بود که شکلی از انرژی به شکلی دیگر تغییر می‌یابد: مانند انرژی‌الکتریکی به انرژی‌گرمایی، و این امر مفهوم کالری را تضعیف کرد. و گرمای ناشی از انرژی یا انجام کار ژول این مسیر تحقیق را طی دهه‌های بعد نیز دنبال کرد. او اثبات کرد که گرما می‌تواند از انواع بسیار مختلفی انرژی یا کار، از جمله انرژی مکانیکی به وجود آید. او آن را در قالب یک آزمایش به اثبات رساند که در آن وی یک چرخ پره‌دار را توسط یک دستگیره به درون آب برد و مشاهده شد که دمای آب در نتیجه این عمل افزایش می‌یابد. در واقع، یکی از مهارت‌های اصلی جیمز ژول توانایی وی در کمی کردن نسبت فرم‌های مختلف انرژی بود. او از آزمایش چرخ پره‌دارش به منظور دستیابی به تعدادی از کوشش‌های مکانیکی که استفاده از آن‌ها در راه افزایش دمای آب تا یک درجه فارنهایت لازم بود، بهره گرفت. بر این اساس، ارزشی را برای کار لازم به منظور تولید یک واحد گرما ارائه داد. پس از آن، نتایجش را در مقاله‌ای در سال ۱۸۴۹ با عنوان معادل مکانیکی گرما ارائه کرد که تحسین همگان را برای وی به همراه داشت.

گرما در گازها

جیمز ژول به مطالعه نقش گرما و حرکت در گازها ادامه داد. در سال ۱۸۴۸ اولین تخمین از سرعت حرکت که مولکول‌های گاز را فراهم آورد. از سال ۱۸۵۲ تا پایان این دهه همراه با ویلیام تامسون که بعدها لرد کلوین نام گرفت، به انجام آزمایش‌هایی در این زمینه ادامه داد و آن‌چه را شرح داد که به عنوان «اثر ژول-تامسون» معروف شد. این موضوع بیان می‌دارد که چگونه در واقع بسیاری از گازها هنگام انبساط به دلیل کار صورت گرفته به منظور دورکردن مولکول‌ها از هم، گرمای خود را از دست می‌دهند. این کشفی بود که بعدها استفاده کاربردی آن در رشد صنعت خنک سازی در این قرن گسترش یافت.

قانون ژول

ژول علاوه بر قانون اول ترمودینامیک (صفحات بعد قانونی را نیز کشف کرد که به نام خودش نامیده شده. این قانون تغییر انرژی‌الکتریکی به گرما را توصیف و بیان می کند که گرمای (Q) تولیدی هنگام عبور یک جریان الکتریکی (I) از یک مقاومت (R) برای مدتی (t) با رابطه Q = I2Rt نشان داده می‌شود. یکای SU برای انرژی و کار یعنی ژول نیز به نام وی نامیده شده است.

قانون اول ترمودینامیک

مهم‌ترین کشف ژول یافته‌ای بود که وی در طول آزمایش‌هایش در دهه ۱۸۴۰ به آن دست یافت. آن‌چه را که بعدها به عنوان قانون اول ترمودینامیک شهرت یافت، تعیین کرد: اصل بقای (پایستگی) انرژی. این یک دستاورد طبیعی از کار وی در مورد امکان تبدیل انرژی از یک شکل به شکل دیگر بود. ژول معتقد بود که طبیعت دارای مقدار مشخصی انرژی است که هرگز مقدار آن افزایش و یا کاهش نمی‌یابد بلکه فقط شکل آن تغییر می‌کند.

یولیوس روبرت فون مایر و هرمان لودویگ فردینانت فون هلمهوتس مستقل از ژول و از یک‌دیگر در همان دوران به نتایج مشابهٔ دست یافتند و کشف این قانون به آن‌ها نیز نسبت داده شده است.

حرفهٔ کاشف قانون اول ترمودینامیک ماءالشعیر سازی بود.