Ο Τζέιμς Πρέσκοτ Τζάουλ (James Prescott Joule, 24 Δεκεμβρίου 1818 – 11 Οκτωβρίου 1889) ήταν Άγγλος Φυσικός, μαθητής του Τζον Ντάλτον, που συνέβαλε τα μέγιστα στην ανάπτυξη των σύγχρονων γνώσεων σε πολλά επιστημονικά πεδία, όπως η θερμότητα, ο ηλεκτρισμός και η θερμοδυναμική.
Υπήρξε από τους πρώτους που διέγνωσαν την αναγκαιότητα και τη σημασία που έχουν για τις επιστήμες οι ακριβείς μετρήσεις των φυσικών φαινομένων και σε όλη του τη ζωή ασχολήθηκε περισσότερο με την ανεύρεση των ποσοτικών σχέσεων.
Τα ευρήµατά του και οι δηµοσιεύσεις του κατά το 19ο αιώνα συνέτειναν σηµαντικά στη βελτίωση της αποδοτικότητας πολλών βιοµηχανικών µηχανών όπως οι ατµοµηχανές, τα ηλεκτρικά µοτέρ αλλά και παραγωγικών διαδικασιών, όπως η µετάδοση του ηλεκτρισµού.
Οι αρχές τις οποίες περιέγραψε ο Τζουλ είχαν ως άµεσες εφαρµογές την ηλεκτροκόλληση και την κατάψυξη.
Το ευφυές πείραμα του
Για να μετρήσει με ακρίβεια την αναλογία μηχανικής προς θερμική ενέργεια, αυτό που σήμερα ονομάζουμε μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας , ο Τζουλ επινόησε μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πειραματικές διατάξεις. Αυτή αποτελείται από ένα θερμικά μονωμένο κυλινδρικό δοχείο, γεμάτο με νερό, τοποθετημένο κατακόρυφα. Στο εσωτερικό του δοχείου περιστρέφεται μια φτερωτή ενώ στα τοιχώματα του δοχείου υπάρχουν σταθερά πτερύγια, στα διάκενα των πτερυγίων της φτερωτής. Στον άξονα της φτερωτής είναι τυλιγμένος ένας σπάγκος, στην άλλη άκρη του οποίου είναι δεμένο ένα βάρος. Αν αφήσουμε το βάρος να πέσει από ένα ορισμένο ύψος, ο σπάγκος περιστρέφει τη φτερωτή έως ότου το βάρος φτάσει στο έδαφος. Τότε η δυναμική ενέργεια του βάρους έχει μετατραπεί σε θερμότητα, λόγω τριβής μεταξύ των μορίων του νερού, η οποία έχει ανεβάσει τη θερμοκρασία του νερού στο δοχείο.
Ο Τζουλ μετρούσε τη θερμοκρασία του νερού πριν και μετά το πείραμα και υπολόγιζε στη συνέχεια πόσες θερμίδες είχαν προστεθεί στο νερό, από τη γνωστή σχέση της θερμιδομετρίας Q = mc (ΔΤ), όπου m η μάζα του νερού, (ΔΤ) η μεταβολή της θερμοκρασίας και c η ειδική θερμότητα του νερού, που ισούται με 1. Στη συνέχεια εξίσωνε τη θερμότητα Q, μετρημένη σε θερμίδες, με τη δυναμική ενέργεια του βάρους μετρημένη στις μονάδες ενέργειας εκείνης της εποχής, και υπολόγιζε το πηλίκο των δύο αριθμών. Η δυναμική ενέργεια, W, είναι ίση με Μgh, όπου Μ η μάζα του βάρους, h το ύψος πτώσης και g η επιτάχυνση της βαρύτητας, που στο σημερινό σύστημα μονάδων ισούται με 10. Επειδή η μάζα του βάρους και το ύψος πτώσης μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια, είναι φανερό ότι η ακρίβεια του υπολογισμού του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας απαιτούσε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού.
Με το πιο εξελιγμένο από τα πειράματά του ο Τζουλ μπόρεσε να υπολογίσει ότι 1 θερμίδα ισούται με 4,16 joule. Το παραπάνω αποτέλεσμα είναι πάρα πολύ κοντά στην τιμή του ισοδυνάμου της θερμότητας που δεχόμαστε σήμερα, 4,19 joule ανά θερμίδα.
Το πείραμα του Τζουλ ήταν η πρώτη αδιαμφισβήτητη πειραματική απόδειξη της αρχής διατήρησης της ενέργειας, η οποία αποτελεί ένα από τα θεμέλια της σημερινής Φυσικής. Για τον λόγο αυτόν η μονάδα ενέργειας του πλέον διαδεδομένου σήμερα συστήματος φυσικών μονάδων έχει ονομασθεί joule, προς τιμήν του μεγάλου ερασιτέχνη φυσικού.
Νόμος Τζάουλ
Η μεταβολή της θερμικής ενέργειας ενός αντιστάτη αντίστασης R, όταν από αυτόν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα σταθερής έντασης I και επομένως η ποσότητα της θερμότηταςQ που μεταφέρεται από αυτόν προς το περιβάλλον σε χρονικό διάστημα t είναι:
α) ανάλογη του τετραγώνου της έντασης Ι του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη,
β) ανάλογη της αντίστασης R του αντιστάτη,
γ) ανάλογη του χρόνου t διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος από τον αντιστάτη.
Η μαθηματική σχέση με την οποία συνδέονται τα παραπάνω φυσικά μεγέθη είναι η εξής:{\displaystyle Q=I^{2}\times R\times t}
Όλα τα μεγέθη μετριούνται σε μονάδες του SI δηλαδή η θερμότητα (Q) σε Joule (J), η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (Ι) σε Αμπέρ (Α), η αντίσταση (R) σε Ωμ (Ω) και ο χρόνος (t) σε δευτερόλεπτα (s).
Ωστόσο η πλέον γνωστή επινόηση του Τζουλ είναι η µονάδα µέτρησης η οποία φέρει το όνοµά του και η οποία υιοθετήθηκε επισήµως από το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθµών το 1948 ως η επίσηµη µονάδα µέτρησης της ενέργειας (S.I).
Αναρτήσεις
){kind=link}