James Prescott Joule — Džaulio dėsnis ir indėlis į termodinamiką

Sužinokite apie Jamesą Prescottą Joule'ą: Džaulio dėsnio paaiškinimas, jo indėlis į termodinamiką ir Džaulio–Tomsono efektas.

Jamesas Prescottas Joule'as (1818 m. gruodžio 24 d. - 1889 m. spalio 11 d.) - anglų fizikas, gimęs Salforde, netoli Mančesterio. Savo laiku jis daug prisidėjo prie elektros ir termodinamikos mokslo. Labiausiai jis išgarsėjo atradęs Džaulio dėsnį, kuris apibūdino elektrinį kaitinimą teigdamas, kad šilumos kiekis, kurį per sekundę laidininke pagamina elektros srovė, yra proporcingas laidininko varžai ir srovės kvadratui. Šio dėsnio matavimo vienetas yra džauliukas, lygus vienam vatvalandžiui. Vėliau Džulas kartu su Viljamu Tomsonu nustatė, kad dujų temperatūra mažėja, nes dujos plečiasi. Šis principas tada buvo žinomas kaip Džaulio ir Tomsono efektas.

Gyvenimas ir mokslinė veikla

J. P. Joule'as kilęs iš turtingos gamybos šeimos ir turėjo galimybę vedinti savarankiškus eksperimentus. Nors jis nebuvo akademiškai išsilavinęs universitete tradicine prasme, jo kruopštūs, kiekybiniai matavimai ir domėjimasis praktiniais eksperimentais padėjo jam laimėti pripažinimą mokslinėje bendruomenėje ir tapti vienu iš pirmaujančių XIX a. fizikos eksperimentatorių. Joule'o tyrimai ypač prisidėjo prie energijos tvermės principo supratimo ir termodinamikos kaip mokslo susiformavimo.

Džaulio dėsnis (elektrinis kaitinimas)

Džaulio dėsnis aprašo šilumos, išsiskiriančios laidininke dėl elektros srovės, priklausomybę nuo srovės ir varžos. Matematiškai šį reiškinį galima išreikšti taip:

• Per tam tikrą laiką t sugeneruota šiluma: Q = I² R t
• Momentinė galia (šilumos išsiskyrimo sparta): P = I² R

Čia I – srovė, R – laidininko varža, t – laikas. Šis dėsnis turi plačią techninę reikšmę (šiluminės galios skaičiavimas elektros grandinėse, saugumo apskaičiavimai, šildymo prietaisų projektavimas ir t. t.).

Mechaninis ekvivalentas šilumos

Vienas svarbiausių Joule'o pasiekimų buvo mechaninio ekvivalento šilumos nustatymas – eksperimentai, kurie parodė, kad mechaninė energija gali būti paversta šilumine ir atvirkščiai, su pastovaus dydžio santykiu. Jo gerai žinomas eksperimentas naudojo pasukimo menteles (paddle wheel) maišomoje vonelėje: nukritę svoriai suktelėdavo menteles, kurios maišė vandenį, o trintis sukeldavo temperatūros kilimą. Kruopščiais matavimais Joule'as parodė, kad temperatūros pakilimas yra proporcingas atliktam mechaniniam darbui, taip stiprindamas idėją apie energijos tvermę (pirmasis termodinamikos dėsnis). Jo nustatyta mechaninio ekvivalento reikšmė buvo arti vėliau patvirtintos vertės (1 kalorija ≈ 4,186 džaulio).

Džaulio–Tomsono (Joule–Thomson) efektas

Joules kartu su Viljamu Tomsonu tyrė realių dujų elgseną ir atrado, kad kai reali duja praeina per porėtą uždarymą ar siurblinio sklendę esant izoentalpinei sąlygai (be darbinio šilumos mainų su aplinka), jos temperatūra gali keistis — dažniausiai sumažėti. Šis reiškinys, vadinamas Džaulio–Tomsono efektu, tapo svarbus dujų aušinimo ir skystinimo technologijoms (pvz., skysčių dujų gavybai), taip pat parodė skirtumą tarp idealios ir realių dujų elgsenos. Efekto ženklas (ar temperatūra krenta, ar kyla) priklauso nuo pradinės temperatūros ir dujos savybių; egzistuoja vadinamoji inversijos temperatūra, už kurios efektas keičia ženklą.

Vienetai ir terminologija

Originaliame tekste minima sąvoka džauliukas ir nurodoma, kad ji būtų lygi vatvalandžiui. Tai netikslu. Pastaba: patvirtintas tarptautinis energijos vienetas yra džaulis (J), pavadintas pagal Joule'ą; 1 J = 1 W·s (vienas vatsekundė). Vatvalanda (Wh) yra kitoks energijos dydis: 1 Wh = 3600 J. Kartais liaudiškai vartojami mažiau tikslūs pavadinimai (džauliukas), tačiau moksliškai teisinga vartoti „džaulis“.

Paveldas ir reikšmė

Joule'o darbai turėjo esminę reikšmę termodinamikos vystymuisi: jo eksperimentai suteikė tvirtą eksperimentinį pagrindą energijos tvermės dėsniui ir padėjo kitiems mokslininkams, tokiems kaip R. Clausius ir W. Thomson (Lordu Kelvin), suformuluoti termodinamikos teorijas. Džaulio vardas išliko fizikoje per džaulio (joule) energijos vienetą ir per technologijas, kuriose naudojami jo atradimai (šildymas, aušinimas, dujų skystinimas ir kt.).

Trumpai apibendrinant: Jamesas Prescottas Joule'as buvo vienas svarbiausių eksperimentinės fizikos praktikuotojų XIX a., kurio darbai apie elektrinį kaitinimą, mechaninį ekvivalentą šilumos ir dujų elgseną esant izoentalpinei ekspansijai padėjo pagrindus šiuolaikinei termodinamikai.

Ankstyvasis gyvenimas

Turtingo alaus darytojo Benjamino Džulio (1784-1858) sūnus Džeimsas Preskotas Džulius gimė 1818 m. gruodžio 24 d. šalia Džulio alaus daryklos esančiame name New Bailey gatvėje, Salforde. Džeimsas mokėsi šeimos namuose Broomhill, Pendlebury, netoli Salfordo, iki 1834 m., kai kartu su vyresniuoju broliu Benjaminu buvo išsiųstas mokytis pas Džoną Daltoną į Mančesterio literatūrinę ir filosofinę draugiją. Jie tik dvejus metus mokėsi aritmetikos ir geometrijos, kol Daltonas dėl insulto buvo priverstas pasitraukti.

1892 m. Joule'o iliustracija

Kinetinė teorija

Kinetika - tai mokslas apie judėjimą. Džulas buvo Daltono mokinys, todėl nenuostabu, kad jis tvirtai tikėjo atomo teorija, nors jo laikais buvo daug mokslininkų, kurie vis dar buvo skeptiškai nusiteikę. Jis taip pat buvo vienas iš nedaugelio žmonių, imlių Džono Herapato darbams, susijusiems su kinetine dujų teorija. Dar didesnę įtaką jam padarė 1813 m. Piterio Evarto (Peter Ewart) straipsnis "Apie judančios jėgos matą".

Džeimsas Preskotas Džulas (James Prescott Joule)

Klausimai ir atsakymai

K: Kas buvo Džeimsas Preskotas Džulas?

K: Koks buvo James Prescott Joule indėlis į elektros energetiką?

K: Ką teigia Džaulio dėsnis?

K: Koks yra Džaulio dėsnio matavimo vienetas?

K: Su kuo Džeimsas Preskotas Džulas bendradarbiavo, kad atrastų Džaulio ir Tomsono efektą?

K: Kas yra Džaulio ir Tomsono efektas?

K: Kada gyveno ir kada mirė Jamesas Prescottas Joule'is?

Paieška pagal raidę