James Prescott Joule

El Vikipedio, la libera enciklopedio
Saltu al: navigado, serĉo
James Prescott Joule
James Prescott
James Prescott Joule
Persona informo
Nomo James Prescott Joule
Dato de naskiĝo 24-a de decembro 1818 [#]
Loko de naskiĝo Salford [#]
Dato de morto 11-a de oktobro 1889 [#]
Loko de morto Salford
Okupoj fizikisto kaj bierfaristo
Aĝo je morto 70
Portalo pri Homoj
v  d  r
Information icon.svg

Jakobo Preskoto Ĵulo (naskiĝis la 24-an de decembro 1818 en Salford; mortis la 11-an de oktobro 1889) estis angla fizikisto kaj bierfaristo. Joule esploris la ecojn de varmo kaj malkovris ĝian interrilaton al meĥanika laboro. Ĉi tiu ideo kondukis al la teorio pri la konservado de energio (la Unua Leĝo de Termodinamiko). La SI-mezurunuo de laboro, la ĵulo, estas nomata pro li. Li laboris kun Lordo Kelvino por disvolvi la absolutan skalon de temperaturo kaj malkovris la interrilaton inter la fluo de kurento tra rezistanco kaj la varmo farata, nun nomata la Leĝo de Joule.

Fruaj jaroj[redakti | redakti fonton]

Filo de riĉa bierfaristo, Joule instruiĝis kiel juna knabo de fama sciencisto John Dalton kaj multe influiĝis de ĥemiisto William Henry kaj la Manĉestrodevenaj inĝenieroj Peter Ewart kaj Eaton Hodgkinson. Lin fascinis elektro, kaj li kaj lia frato esploris la temon donante elektrajn ŝokojn unu al la alia, kaj al la servistoj de la familio.

Kiel plenkreskulo, Joule estris la bierfarejon. Scienco estis por li nur serioza ŝatokupo. Dum iu jaro proksime al 1840, li komencis esplori la eblecon anstataŭigi la vapor-motoron de la bierfarejo per la nove inventita elektra motoro. Lian unuan sciencan raporton pri la temo li kontribuis al la ĵurnalo Annals of Electricity (Kroniko pri Elektro) de William Sturgeon.

Instigita parte de lia deziro kiel negociisto mezuri la ekonomiajn efikojn de la elekto, kaj parte de lia scienca enketemo, li ekklopodis determini, kiu el la du potencoformoj estis la plej efika. Li malkovris la principon, kiun oni nun nomas la unuan leĝon de Joule, en 1841. Laŭ ĝi, la varmo kiu evoluiĝas de la ĝusta agado de iu auj volta fluo proporciiĝas laŭ la kvadrato de la forto de tiu fluo, multobligita per la rezistemo al la termika konduktivo, kiun ĝi spertas.[1] Li sekve konstatis, ke la bruligo de funto da karbo en vapor-motoro estis laŭkoste pli efika, ol funto da zinko en elektra baterio. Joule mezuris la povon de ambaŭ rimedoj laŭ unu normo: la kapablo levi unu-funtan ŝarĝon al alteco de unu futo, la fut-pundo.

Tamen, la intereso de Joule devojiĝis de la malvasta financa demando, al tiu de kiom da laboro oni povus havigi el specifa fonto. Tio pensigis lin pri la konvertebleco de energio. En 1843, li publikigis rezultojn de esploroj, kiuj montris, ke la varmiga efiko, kiun li mezuris en 1841 okazis, pro la kreiĝo de varmo en la konduktilo, ne en ĝia transiro de alia parto de la aparato. Ĉi tiu rezulto kontraŭis la kalorian teorion, laŭ kiu varmo povas nek kreiĝi nek detruiĝi. Kaloria teorio estis ĉefa principo en la varmo-scienco ekde ĝia unua prezentiĝo de Antoine Lavoisier en 1783. Pro la famo de Lavoisier, kaj pro la praktika sukceso de la kaloria teorio de la varmo-motoro de Sadi Carnot post 1824, la ideoj de la juna Joule nur malfacile akceptiĝis, ĉar li laboris ekster la superaj lernejoj kaj la inĝeniera profesio. Subtenantoj de la kaloria teorio, pro la simetrio de la efiko Peltier-Seebeck, facile povis argumenti, ke varmo kaj elektra fluo estis interkonvertigeblaj laŭ proceso, kiun oni povas, almenaŭ proksimume, renversi.

La meĥanika egalvaloro de varmo[redakti | redakti fonton]

Post pluaj pruvoj kaj mezuroj kun lia elektra motoro, Joule taksis la meĥanikan egalvaloron de varmo kiel 83-fut-punda forto (ft lbf) da laboro por levi la temperaturon de unu pundo da akvo je unu grado Farenheit.[2]

Li anoncis siajn rezultojn ĉe renkontiĝo de la ĥemia fako de la British Association for the Advancement of Science (Brita Asocio por la Antaŭigo de Scienco]] en Cork en aŭgusto 1843, kaj rikoltis silenton.[3] Joule ne malkuraĝiĝis, kaj komencis serĉi pure meĥanika pruvo de la konvertiĝo de laboro en varmon. Movigante akvon perforte tra truita cilindro, li povus mezuri la etan viskozan varmiĝon de la fluaĵo. Li atingis la meĥanikan egalvaloron da 770 ft·lbf/Btu (4.14 J/cal). La fakto, ke la valoroj, kiujn li mezuris kaj per elektra kaj per meĥanika rimedoj estis proksime ĝis almenaŭ unu grandordo estis, por Joule, konvinka pruvo de la vereco de la konvertigeblo de laboro al varmo.

Citaĵo
 kiam ajn meĥanika forto elspeziĝis, ĝustan egalvaloron da varmo ĉiam rezultas. 
— J.P. Joule, August, 1843

Joule nun provis trian vojon. Li mezuris la varmon kreatan kontraŭ la laboro farata dum la kunpremo de gaso. Li atingis la meĥanikan egalvaloron de 798 ft·lbf/Btu (4.29 J/cal). En multaj rilatoj, ĉi-tiu eksperimento oferis la plej facila celo por la kritikantoj de Joule, sed Joule nuligis multajn el la kontraŭargumentoj, kiujn li atendis, per lerta pruvado. Joule legis lian raporton al la Reĝa Societo je la 20a de junio 1844,[4], tamen, lia raporto malakceptiĝis por publikiĝo de la Reĝa Societo, kaj li devis kontentiĝi pri publikigo en la Philosophical Magazine (Filozofa Revuo) en 1845.[5] En la raporto li klare malakceptis la kalorian teorian rezonadon de Carnot kaj Émile Clapeyron, sed liaj teologiaj motivoj ankaŭ montriĝis:

Citaĵo
 Mi ekopinias, ke ĉi tiu teorio ...kontraŭas la rekonatajn principojn de filozofio, ĉar ĝi kondukas al la konkludo, ke vis viva (forto viva) povos detruiĝi per neĝusta aranĝo de la aparataro: Tiel S-ro Clapeyron faras la konkludon, ke 'ĉar la temperaturo de la fajro estas 1000 °C ĝis 2000 °C pli alta, ol tiu de la kaldrono, estas granda perdo de vis viva en la transiĝo de la varmeco de la forno ĝis la kaldrono.' Kredanta, ke la povo detrui apartenas al la Kreanto sole, mi atestas;nbsp;... ke iu ajn teorio, kiu, je aktualigo, postulas la neniigo de forto, estas necese erara. 

Ĉi tie Joule priparolas vis viva-n (forto viva, energio), eble ĉar Hodgkinson legis recenzon de la raporto On the measure of moving force (Pri la mezurado de movanta forto al la Literara kaj Filozofa Societo en aprilo 1844.

Joule skribis en sia raporto de 1844:

Citaĵo
 ... la meĥanika povo, uzata en la turnigo de magento-elektra maŝino estas konvertita al varmo evoluita de la transiĝo de la fluoj de induktiĝo tra ĝiaj volvaĵoj (induktiloj); kaj, aliflanke, ke la moviga povo de la elektro-magneta motoro haviĝis je la kosto de la varmigo pro la ĥemiaj reagoj de la baterio, per kiu oni funkciigas ĝin. 

En junio 1845, Joule legis sian raporton On the Mechanical Equivalent of Heat (Pri la Meĥanika Egalvaloro de Varmo) al la renkontiĝo de la Brita Asocio en Kembriĝo [6] En ĉi tiu verko, li raportis pri sia plej konata pruvo, pri la utilo de falanta ŝarĝo, en kiu gravito faras la meĥanikan laboron, por turnigi akvoradon en izolita barelo da akvo, kiu pliigis la temperaturon. Li nun taksis la meĥanikan egalvaloron je 819 ft·lbf/Btu (4.41 J/cal). Li skribis leteron al la Filozofa Gazeto, kiu publikiĝis en septembro 1845, en kiu li priskribis sian esploron.[7]

La varmo-mezura aparataro de Joule, 1845.

En 1850, Joule publikigis pli precizan mezuron de 772.692 ft·lbf/Btu (4.159 J/cal), pli proksima al 20-jarcentaj taksoj.[8]

Akceptiĝo kaj Rango[redakti | redakti fonton]

La aparato de Joule por mezuri la meĥanikan egalvaloron de varmo

La plimulto el la komenca malakcepto de la laboro de Joule fontis el tio, ke ĝi dependis de tre preciza mezurado. Li diris, ke li kapablas mezuri temperaturojn je ĝusteco malpli ol 200-ono de grado Fahrenheit (3 mK). Tia precizeco estis certe malofta en la tiama esplora fiziko, sed la dubantoj eble malatentis lian sperton en la arto de bierfarado, kaj lia aliro al ĝiaj praktikaj teknologioj.[9] Lin ankaŭ kapable subtenis la scienca mezurilo-faristo John Benjamin Dancer. La esploroj de Joule kompletigis la teorian laboron de Rudolf Clausius, kiun kelkaj konsideras la kuninventinto de la energio-koncepto.

Joule proponis kinetan teorion de varmo. Li opiniis, ke ĝi estas formo de rotacia, anstataŭ ol transiga, kineta energio, kaj ĉi tiu starigis demandon. Se varmo estas formo de molekula moviĝo, kial la movado ne iom-post-iome ĉesiĝas? La ideoj de Joule devigis onin kredi, ke la kolizioj inter molekuloj estis perfekte elastaj. Ni ankaŭ memoru, ke la ekzisto mem de atomoj kaj molekuloj ne ĝenerale akceptiĝis, ĝis post 50 jaroj pli.

Kvankam eble estas malfacile hodiaŭ kompreni la allogon de la kaloria teorio, je tiu tempo ĝi ŝajne havis certajn avantaĝojn. La sukcesa teorio pri varmo-motoroj de Carnot ankaŭ baziĝis sur la kaloria supozo, kaj nur poste pruviĝis de Sinjoro Kelvin, ke la kalkulojn de Carnot estas same validaj, sen la antaŭsupozo de la ekzisto de kaloria fluaĵo.

Ankaŭ in 1847, ĉe alia el la paroloj de Joule ĉe la Brita Asocia en Oksfordo ĉeestis George Gabriel Stokes, Michael Faraday, kaj la frumatura kaj malkonvencia William Thomson, kiu poste fariĝis Sinjoro Kelvin, kiu ĵus fariĝis profesoro de natura filozofo ĉe la Universitato de Glasgovo. Stokes "emis esti subtenanto de Joule", kaj Faraday "tre kaptiĝis de ĝi" malgraŭ kekaj duboj liaj. Thomson interesiĝis, sed dubemis.

Neatendite, Thomson kaj Joule renkontiĝis poste dum tiu jaro en Chamonix. Joule edziĝis kun Amelia Grimes je la 18a de aŭgusto, kaj la duopo vojaĝis dum la postedziĝan mielmonaton. Senrilate al la edziĝa entuziasmo, Joule kaj Thomson aranĝis provi esploron kelkajn tagojn poste, por mezuri la temperaturo-diferencon inter la supro kaj la malsupro de la akvofalo Cascade de Sallanches, kvankam, pro praktikaj kialoj, ili ne povis fari la esploron.

Kvankam Thomson sentis, ke la rezultoj de Joule postulis teorian klarigon, li komencis defendi la teorion de Carnot-Clapeyron. En lia 1848 rakonto pri absoluta temperaturo, Thomson skribis, ke "ka konvertiĝo de varmo (aŭ kaloria) al meĥanika efiko estas verŝajne ne ebla, certe ne malkovrigita"[10], sed piednoto atentis pri liaj unuaj duboj pri la kaloria teorio, citante la "tre rimarkindaj malkovroj" de Joule. Surprize, Thomson ne sendis ekzempleron de sia raporto al Joule, sed kiam Joule finfine legis ĝin, li skribis al Thomson je la 6a de oktobro, diranta, ke liaj esploroj montris la konvertiĝon de varmo al laboro, sed ke li planas pluajn esplorojn. Thomson respondis je la 27a, ke li planas siajn proprajn eksperimentojn, kaj esperis, ke ili povus akordigi iliajn opiniojn. Kvankam Thomson faris neniajn novajn eksperimentojn, dum la sekvaj du jaroj li fariĝis pli kaj pli malkontentiĝis pri la teorio de Carnot, kaj konvikita pri la vereco de tiu de Joule. En raporto, kiun li publikigis en 1851, Thomson volis nur kompromisi, kaj deklaris, "la tuta teorio pri la moviga povo de varmo baziĝas sur ... du ... proponoj, tiu de Joule, kaj tiu de Carnot kaj Clausius".

Tuj post kiam Joule legis la raporton, li skribis al Thomson kun siaj komentoj kaj demandoj. Tiel komecis fruktodona, plejparte perletera, kunlaboro inter la du viroj. Joule faris eksperimentojn, kaj Thomson analizis la rezultojn kaj sugestis pliajn eksperimentojn. La kunlaborado daŭris de 1852 ĝis 1856, kaj inter la rezultaj malkovroj estis la efiko Joule-Thomson. La publikigitaj rezultoj ege helpis la ĝeneralan akceptiĝon de la laboro de Joule kaj la kineta teorio.

Referencoj[redakti | redakti fonton]

  1. Joule, J.P. (1841). "On the Heat evolved by Metallic Conductors of Electricity, and in the Cells of a Battery during Electrolysis", gazeto : Philosophical Magazine, volumo : 19, paĝoj : 260. COI:10.1080/14786444108650416. Alirita 3 March 2014.  
  2. La mezur-unuo de Joule, de 1 ft lbf/Btu egalvaloras al 5.Ŝablono:Val/delimitnum/fraction×10−3 Ŝablono:Val/units. Tiel la takso de Joule estis 4.51 J/cal, kompare kun la valoro akceptata ekde la komenco de la 20a jarcento, de 4.1860 J/cal (M.W. Zemansky (1968) Heat and Thermodynamics, 5th ed., p. 86).
  3. Joule, J.P. (1843). "On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat", gazeto : Philosophical Magazine, volumo : 23, paĝoj : 263, 347 & 435. COI:10.1080/14786444308644766. Alirita 4 March 2014.  
  4. Joule, J.P. (1844). "On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air", gazeto : Proceedings of the Royal Society of London, volumo : 5. COI:10.1098/rspl.1843.0031   and Scientific Papers p. 171
  5. Joule, J.P. (1845). "On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air", gazeto : Philosophical Magazine, volumo : 26, numero : 174, paĝoj : 369–383. COI:10.1080/14786444508645153  
  6. Joule, J.P. (1845) "On the Mechanical Equivalent of Heat", Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect, p.31, legita ĉe la Brita Asocio ĉe Kembriĝo, junio 1845
  7. Joule, J.P. (1845). "On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power", gazeto : Philosophical Magazine, volumo : 27, numero : 179, paĝoj : 205–207. COI:10.1080/14786444508645256  
  8. Joule, J.P. (1850). "On the Mechanical Equivalent of Heat", gazeto : Philosophical Transactions of the Royal Society of London, volumo : 140, paĝoj : 61–82. COI:10.1098/rstl.1850.0004  
  9. Sibum (1994)
  10. See Thomson, William (1848). "On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot's Theory of the Motive Power of Heat, and calculated from Regnault's Observations", gazeto : Philosophical Journal  - See also the account in Thomson, William. (1882). Mathematical and Physical Papers. Cambridge, England: Cambridge University Press, 100–106. 

Eksteraj ligiloj[redakti | redakti fonton]