Джеймс Прескот Джоул — английски физик, законът на Джоул и единицата джоул

Джеймс Прескот Джаул — английски физик, откривател на закона на Джаул и единицата джоул: история, ключови експерименти, електрическо нагряване и принос в термодинамиката.

Джеймс Прескот Джаул (24 декември 1818 г. - 11 октомври 1889 г.) е английски физик, роден в Салфорд, близо до Манчестър. За времето си той има голям принос в света на електричеството и термодинамиката. Той е най-известен с откриването на закона на Джаул, който описва електрическото нагряване, като казва, че количеството топлина, произвеждано всяка секунда в проводник от ток на Електричество, е пропорционално на съпротивлението на проводника и на квадрата на тока. Единицата за това е джаул, равен на един ватт за секунда. По-късно Джаул работи заедно с Уилям Томсън, за да открие, че температурата на газа спада, когато той се разширява. Тогава този принцип е известен като ефект на Жул-Томсън.

Биография и ранни години

Джаул е роден в семейството на успешен пивовар и първоначално е получил домашно образование и частни уроци. Въпреки че наследява семейния бизнес, интересът му към научните експерименти го отвежда към практическа изследователска работа в областта на топлината и електричеството. През целия си живот той комбинира наблюдателни експерименти с внимателен измервателен подход, което му позволява да извлече количествени закони от явления, които до тогава са били описвани предимно качествено.

Основни приноси и експерименти

• Механичният еквивалент на топлината — Джаул извършва класическия си експеримент с разбъркване на вода (помпон или „падъл уийл“), при който механичната работа от въртене се превръща в повишение на температурата на водата. Чрез внимателни измервания той показва, че количеството произведена топлина е пропорционално на извършената механична работа, което е ключово доказателство за еквивалентността на работа и топлина.
• Електрическо нагряване (закон на Джаул) — формулира закона, според който топлинната мощност, отделяна в проводник при преминаване на ток, е P = I²R (или количеството топлина за време t: Q = I²Rt). Това е важно за разбирането на загряването на електрически уреди и безопасността в електротехниката.
• Експерименти с газове — заедно с Уилям Томсън (по-късно лорд Келвин), Джаул изучава промените в температурата при разширение на газове. Откриват, че при свободно разширение през порта (адиабатно дроселиране) температурата на много газове пада — явление, известно като ефект на Джоул–Томсън.
• Други изследвания — Джаул е работил и по магнитни свойства, ефектите от течения върху проводници и по-общо по въпросите на консервацията на енергията. Неговите точни измервания и методи спомагат за превръщането на термодинамиката в количествена наука.

Законът на Джаул и единицата джоул

Когато говорим за електрическо нагряване, обикновено използваме законa на Джаул в следния вид: мощността (количеството топлина, отделяно във времето) е равна на продукта от съпротивлението и квадрата на тока: P = I²R. Оттук следва, че при постоянен ток топлината във времеви интервал t е Q = I²Rt. Този резултат е практичен и лесно приложим при проектиране на електрически вериги и нагреватели.

Единицата за енергия, наречена джаул, е въведена в негова чест. Един джоул е равен на един ватт за секунда (1 J = 1 W·s) и еквивалентно на 1 Н·м (ньютон-метър). Джаул поставя в основата разбирането, че топлината е форма на енергия и може да се измерва и преобразува в механична и електрическа форма.

Ефектът на Джоул–Томсън

В съвместната си работа с Уилям Томсън Джаул изучава каква е промяната на температурата при разширение на реални газове при изолация от обмен на топлина с околната среда. Оказва се, че при определени условия (т.нар. дроселиране) някои газове се охлаждат, докато други могат да се затоплят — в зависимост от техните свойства и първоначалните условия. Това откритие има важно практическо приложение в процесите на охлаждане и кондензация и е основа за развитие на технологиите за втечняване на газове и за хладилната техника.

Признания и наследство

Джаул получава широко научно признание приживе — награди и звания от различни научни общества. Методите и резултатите от неговите измервания имат дълготрайно влияние върху физиката: приносите му са в основата на първия принцип на термодинамиката (консервация на енергия) и на практическите приложения в електротехниката и инженерството.

Личен живот и последни години

Джаул продължава научната си дейност десетки години, воден от стремежа към точни измервания и детайлно разбиране на процесите. Умира на 11 октомври 1889 г. Наследството му продължава да живее в името на единицата джоул и в основите на съвременната термодинамика и електротехника.

Ключови факти:

• Роден: 24 декември 1818 г., Салфорд.
• Най-известен за: закон на Джаул (електрическо нагряване) и експерименталното установяване на механичния еквивалент на топлината.
• Единица за енергия „джаул“ е кръстена в негова чест.
• Работи с Уилям Томсън по явлението на охлаждане при разширение на газове (ефект на Джоул–Томсън).

Ранен живот

Син на Бенджамин Джоул (1784-1858), богат пивовар, Джеймс Прескот Джоул е роден в къщата до пивоварната "Джоул" на улица "Ню Бейли" в Салфорд на 24 декември 1818 г. Джеймс е обучаван в семейния дом "Broomhill", Пендлбъри, близо до Салфорд, до 1834 г., когато е изпратен заедно с по-големия си брат Бенджамин да учи при Джон Далтън в Манчестърското литературно и философско общество. Двамата получават само две години обучение по аритметика и геометрия, след което Далтън е принуден да се оттегли поради инсулт.

Илюстрация на Джаул от 1892 г.

Кинетична теория

Кинетиката е наука за движението. Джаул е бил ученик на Далтън и не е изненадващо, че е придобил твърда вяра в атомната теория, въпреки че по негово време е имало много учени, които все още са били скептични. Той също така е бил един от малкото хора, възприемчиви към работата на Джон Херапат върху кинетичната теория на газовете. Допълнително голямо влияние върху него оказва статията на Питър Еуърт от 1813 г. "За мярката на движещата се сила".

Джеймс Прескот Джаул

Въпроси и отговори

В: Кой е бил Джеймс Прескот Джул?

В: Какъв е приносът на Джеймс Прескот Джаул в света на електричеството?

В: Какво гласи законът на Жул?

В: Каква е единицата за закона на Жул?

В: С кого работи Джеймс Прескот Жул, за да открие ефекта на Жул-Томсън?

В: Какво представлява ефектът на Джаул-Томсън?

Въпрос: Кога е живял и кога е починал Джеймс Прескот Джаул?

Търсене по буква