Džejms Džul

Džejms Preskot Džul (engl. James Prescott Joule; Solford, 24. decembar 1818 — Sejl, 11. oktobar 1889) je bio engleski fizičar i pivar.

Džejms Džul
Džejms Preskot Džul
Lični podaci
Datum rođenja	(1818-12-24)24. decembar 1818.
Mesto rođenja	Solford, Ujedinjeno Kraljevstvo
Datum smrti	11. oktobar 1889.(1889-10-11) (70 god.)
Mesto smrti	Sejl, Ujedinjeno Kraljevstvo
Naučni rad
Polje	fizika
Poznat po	Džulovom zakonu

Džejms Preskot Džul

Džulov uređaj.

Džulov uređaj iz 1845.

Džulova toplota je toplota koja nastaje pri prolasku električne struje kroz provodnik zbog njegovog otpora.

Džul-Tomsonov efekat je promena temperature realnih gasova adijabatskom ekspanzijom kroz uzak ventil ili kapilaru.

Džulov proces ili Brajtonov ciklus.

Kao sin bogatog pivara, porodica ga je poslala (sa svojim bratom) da ga podučava Džon Dalton. Posle obrazovanja, kao menadžer u pivari svoga oca (koju je vodio skoro ceo svoj život) razmišljao je o zameni parnih mašina sa tada novim izumom, električnim motorom.

Njegov naučni rad se bazirao na proučavanju toplote i njene veze sa elektricitetom i mehanikom. U članku koji je 1841. poslao Kraljevskom društvu pokazao je da provodnik kroz koji prolazi električna struja proizvodi toplotu u količini koja je proporcionalna otporu provodnika i kvadrata struje koja prolazi kroz njega. Ovaj fenomen je poznat kao Džulov zakon.

Preko eksperimenata pokazao je da toplota i rad mogu da se pretvaraju jedno u drugo, čuvajući njihovu kumulativnu vrednost. Naime, u mehaničkim i hidrauličkim mašinama zbog trenja deo rada se pretvara u toplotu, a u toplotnim mašinama rad se dobija preko veličine ekvivalentne toploti. Ovaj Džulov princip je poznat kao mehanički ekvivalent toplote, u kojem je on praktično pokazao zakon održanja energije za termodinamičke sisteme. Ovi njegovi rezultati su puno doprineli definisanju prvog principa termodinamike.

Sa Lordom Kelvinom je razvijao temperaturnu skalu.

U njegovu čast današnja SI jedinica za rad i energiju nosi naziv džul (simbol J).

Biografija

Mladost

Džejms Preskot Džul bio je sin Bendžamina Džula (1784—1858), bogatog pivara i Alis Preskot Džul. Džejms je rođen u kući spojenoj sa pivarom Džul u ulici Nju Bejli Strit, u Salfordu, 24. decembra 1818. Džejms je učen u porodičnom domu Brumhil, u Pendlberiju, u blizini Salforda, do 1834. kada je sa starijim bratom Bendžaminom, poslan u Mančestersko književno i filozofsko društvo (engl. Manchester Literary and Philosophical Society) da uči sa Džonom Daltonom. Oboje su od Daltona učili aritmetiku i geometriju samo dve godine do Daltonova povlačenja zbog moždanog udara. Ipak Dalton je ostavio trajan trag na obojici kao i na ostalim svojim suradnicima kao što su bili npr. hemičar Vilijam Henri i inžinjeri Piter Evart i Iton Hodgkinson. Džula je nastavio da podučava Con Dejvis. Očarani elektricitetom, braća Džul su eksperimetirali dajući jedan drugome i porodičnoj posluzi električne udare.

Džul je postao upravnik pivovare i imao aktivnu ulogu u vođenju do prodaje firme 1854. Nauka je bila razonoda, iako je vrlo rano počeo istraživati mogućnost zamene pranih mašina u pogonu pivare, novootkrivenim električnim motorima.

Prvi naučni rad o elektricitetu objavio je 1838. u časopisu Annals of Electricity, kojeg je osnovao i vodio kolega Džona Dejvisa, Vilijam Sterdžen. Formulirao je Džulove zakone 1840, te se nadao da će impresionirati Kraljevsko društvo, ali je saznao da ga smatraju običnim provincijskim diletantom.

Kada se Sterdžen preselio u Mančester 1840, Džul i on postali su jezgro kruga intelektualaca grada. Oboje su slično razmišljali da nauka i teologija trebaju da budu integrirane. Džul je predavao Sterdženovoj školi Royal Victoria Gallery of Practical Science. Godine 1847. oženio se Ameliom Grajms, kćerkom Liverpoolskog carinika.

Džul je shvatio da sagorevanje jedne funte ugljena u parnoj mašini daje pet puta više prihoda (engl duty) od funte cinka potrošenog u Groveovoj bateriji. Džulov uobičajeni standard ekonomskog prihoda (engl. economical duty) bila je mogućnost da se podigne jedna funta na visinu od jedne stope. Na Džula je uticalo razmišljanje Franca Aepinusa, te je pokušavao da objasni pojavu elektriciteta i magnetizma, kao atoma okruženih kaloriformnim eterom u stanju vibracije. Džulovo zanimanje koje je počelo kao finansijsko razmišljanje o tome koliko rada može dobiti od pojedinog izvora, dovelo ga je do razmišljanja o pretvaranju energije.

Godine 1843. objavio je rezultate eksperimenata koji su pokazali da učinak zagrejavanja koji je kvantifikovao 1841. nastaje zbog stvaranja toplite u provodniku, a ne zbog prenos sa druge opreme. To je bio direktan izazov kalorijskoj teoriji koja je govorila da se toplota ne može stvarati, niti uništiti, a koja je dominirala naukom o toploti od vremena Antoana Lavoazjea koji ju je postavio 1783. Lavoazjeov ugled i praktični uspeh Sadi Karnotove kalorijske teorije toplotne mašine, dodatno su otežali put mladom Džulu koji je radio izvan akademskih i inžinjerskih krugova. Pobornici kalorijske teorije isticali su simetriju termoelektričnog učinka, te tvrdili da su toplota i struja konvertibilni, barem delimičnim reverzibilnim procesom.

Jedan od njegovih najpoznatijih eksperimenata, koji se danas naziva Džulov uređaj sastojao se od utega spojenog sa niti koja je na drugom kraju spojena sa lopaticama uronjenim u spremnik sa vodom tako da rotiraju. Pod uticajem tereta koji povlači nit dolazi do rotacije lopatica unutar spremnika. Tako se gravitacijska potencijalna energija tereta pretvara u kinetičku energiju vrtnje ili rotacije, te temperatura vode raste zbog trenja. Tako je izmerio mehanički ekvivalent toplote.

Prihvaćanje

Velik deo prvobitnog neprihvatanja Džulovog rada proizlazio je iz njegove zavisnosti o izuzetno preciznih mernih instrumenata. Džul je tvrdio da može izmeriti temperaturu u tačno unutar 1/200 stupnja Farenhajta. Takva preciznost je bila neuobičajena u eksperimentalnoj fizici toga vremena. Mnogi koji su sumnjali u Džula nisu imali uvid u njegovo iskustvo u proizvodnji piva i upućenost u praktične tehnologije. Džulu je isto tako pomogla i nabavka naučnih uređaja iz radionice Džona Bendžamina Dansera.

U Nemačkoj je Herman fon Helmholc bio upoznao sa Džulovim radom i sličnim radom Julijusa fon Majera iz 1842. Iako su obojica bila ubrzo zaboravljena nakon objavljivanja njihovih radova, Helmholc je u svojoj knjizi u kojoj govori o očuvanju energije iz 1847. priznao zasluge dvojice naučnika.

Na predavanju 1847. u Oksfordu, Džula su slušali Džordž Gabrijel Stoks, Majkl Faradej i Vilijam Tomson koji je tada upravo postao profesor prirodne filozofije na univerzitetu u Glazgovu.

Neočekivano, Tomson i Džul su se susreli kasnije te godine u Šamoniju, tokom Džulovog medenog meseca. Tada su se dogovorili da izvrše eksperiment merenja razlike u temperaturi vode na vrhu i dnu vodopada Kaskad de Salanš, što se kasnije pokazalo nepraktičnim. Iako je Tomson smatrao da Džulove rezultate treba teoretski objasniti, i dalje je branio Karnotovu školu. U svojim zapisima o apsolutnoj temperaturi iz 1848, Tomson navodi kako smatra da je pretvaranje toplote u mehaničku energiju verovatno nemoguća, svakako nedokaziva stvar, ali pokazuje i prve sumnje u kalorijsku teoriju, opisujući Džulova otkrića izuzetnim. Tomson nije poslao zapise Džulu, nego je Džul nakon što ih je pročitao, poslao pismo u kojem tvrdi da je dokazao pretvaranje energije, te da planira dodatne eksperimente. Tomson mu je uzvratio da i on namerava da izvede eksperimente kako bi pomirio dve teorije. Iako Tomson nije izveo svoje eksperimente tokom iduće dve godine postao je sve nezadovoljniji Karnoovom teorijom, te sve više prihvaćao Džulovu. U radu iz 1851. Tomson nije hteo da ide dalje od kompromisa između dve teorije. Džul je odmah poslao pismo sa pitanjima i komentarima. To je dovelo do plodne suradnje dva naučnika, brojnih Džulovih eksperimenata i Tomsonovih analiza i predloga daljnjih eksperimenata.

Doprinosi

Džulova toplota

Glavni članak: Džulov zakon

Džulova toplota je toplota koja nastaje pri prolasku električne struje kroz provodnik zbog njegovog otpora. Ta je količina toplote:

$Q=I^{2}\cdot R\cdot t$

gde je: I - jačina struje, R - otpor provodnika, a t - vreme. Jednačina je poznata i pod nazivom Džulov zakon.

Džul-Tomsonov učinak

Glavni članak: Džul-Tomsonov učinak

Džul-Tomsonov učinak ili Džul-Tomsonov efekt je promena temperature realnih gasova adijabatskom ekspanzijom kroz uzak ventil ili kapilaru. Gotovo svim gasovima temperatura pritom pada, pa je ta pojava osnova rada svih rashladnih uređaja, od velikih industrijskih hladnjača do hladnjaka za domaćinstvo.

Džulov proces

Glavni članak: Džulov proces

Džulov proces, Brajtonov proces ili proces na konstantnom pritisku, odnosno ciklus je skupni naziv za termodinamičke kružne procese kojima se na temelju toplotne energije dobija mehanički rad. Budući da se odvijaju između dva stalna pritiska, prikladni su za tehničku primenu, na primer kod gasnih turbina. Kao radni medijum može poslužiti neki gas, mada se najčešće primenjuje vazduh, već i zbog toga što sadrži oksidans (kiseonik).

Mehanički ekvivalent toplote

Dalji eksperimenti i merenja sa njegovim električnim motorom naveli su Džula da proceni mehanički ekvivalent toplote kao 4,1868 džula po kaloriji rada da bi se povisila temperatura jedne funte vode za jedan stepen Farenhajta. On je objavio svoje rezultate na sastanku hemijskog odela Britanske asocijacije za unapređenje nauke u Korku u avgustu 1843. i bio je dočekan tišinom.

Džul je bio odlučan i počeo da traži čisto mehaničku demonstraciju pretvaranja rada u toplotu. Forsirajući vodu kroz perforirani cilindar, mogao je da izmeri blago viskozno zagrevanje tečnosti. On je dobio mehanički ekvivalent od 770 ft·lbf/Btu (4,14 džul/kalorija (J/cal)). Činjenica da su vrednosti dobijene kako električnim, tako i čisto mehaničkim sredstvima u saglasnosti do bar jednog reda veličine bila je za Džula ubedljiv dokaz o stvarnosti konvertibilnosti rada u toplotu.

gde god se troši mehanička sila, uvek se dobija tačan ekvivalent toplote

— Dž. P. Džul, avgust 1843.

Džul je sad pokušao treći pristup. On je izmerio toplotu koja je nastala u odnosu na rad pri kompresovanju gasa. Dobio je mehanički ekvivalent od 798 ft·lbf/Btu (4.29 J/cal). Na više načina, taj eksperiment je predstavljao najlakšu metu za Džulove kritičare, ali se Džul oslobodio očekivanih primedbi putem dosetljivog eksperimentisanja. Džul je podneo svoj manuskript Kraljevskom društvu 20. juna 1844, međutim, Kraljevsko društvo je odbilo da objavi njegov rad, te je on morao da se zadovolji objavljivanjem u Philosophical Magazine 1845. godine. U tom radu on je jasno odbacio kalorijsko razmišljanje Karnoa i Emila Klapejrona, ali je njegova teološka motivacija isto tako postala evidentna:

Ja shvatam da je ova teorija ... u suprotnosti sa prihvaćenim principima filozofije, jer ona dovodi do zaključka da vis viva može da bude uništena nepravilnim raspoređivanjem aparata: Stoga g. Klapejron izvodi zaključak da „pošto je temperatura vatre 1000 °C do 2000 °C viša od temperature bojlera, dolazi do jednog enormnog gubitka vis viva pri prelazu toplote sa peći na bojler.” Uveren da moć uništavanja pripada samo samom Tvorcu, ja utvrđujem ... da svaka teorija koja pri primeni, zahteva anihilaciju sile, nužno je pogrešna.

Džul ovde usvaja jezik vis viva (energija), verovatno zato što je Hodžkinson pročitao Evartov pregled On the measure of moving force Književno-filozofskom društvu u aprilu 1844.

Džul je pisao u svojoj publikaciji iz 1844. godine:

... mehanička snaga koja vrši okretanje magnetnoelektrične mašine se pretvora u toplotu koja se razvija prolazom struje indukcije kroz njene kalemove; i, sa druge strane, snaga kretanja elektromagnetskog motora se dobija na račun toplote usled hemijskih reakcija baterije pomoću koje ona radi.

Juna 1845, Džul je pročitao svoju publikaciju On the Mechanical Equivalent of Heat na sastanku Britanske asocijacije u Kembridžu. U tom radu on izvestio o svom najpoznatijem eksperimentu, koji je obuhvatao upotrebu pada tega, pri čemu gravitacija vrši mehanički rad, da okrene točak sa lopaticama u jednoj izolovanoj posudi vode, što je dovelo do povećanja temperature. On je procenio da je mehanički ekvivalent 819 ft·lbf/Btu (4,41 J/cal). Džul je napisao pismo sa opisom tog eksperimenta časopisu Philosophical Magazine, koje je objavljeno u septembru 1845.

Godine 1850, Džul je objavio preciznije merenje od 772.692 ft·lbf/Btu (4.159 J/cal), što je bliže procenama iz 20. veka.

Kinetička teorija

Kinetika je nauka o kretanju. Džul je bio učenik Daltona, i stoga nije čudno da je bio strog pobornik atomske teorije, mada je bilo mnogo naučnika u njegovo vreme koji su bili skeptični. On je isto tako bio jedan od malobrojnih ljudi koji su prihvatali zanemareni rad Džona Herapata o kinetičkoj teoriji gasova. Na njega je ostavila veoma dubok utisak publikacija Pitera Evarta iz 1813. godine pa naslovom On the measure of moving force.

Džul je shvatio odnos između njegovih otkrića i kinetičke teorije toplote. Njegovi laboratorijski zapisi otkrivaju da je smatrao da je toplota forma rotacionog, a ne translacionog kretanja.

Džul nije mogao da odoli nalaženju prethodnika njegovih gledišta u Fransisu Bejkonu, ser Isaku Njutnu, Džonu Loku, Bendžaminu Tompsonu (grofu Rumfordu) i ser Hamfriju Dejviju. Iako su takvi stavovi opravdani, Džul je nastavio vršeći procene vrednosti mehaničkog ekvivalenta toplote od 1034 stope-funte iz Rumfordovih publikacija. Neki moderni pisci su kritikovali ovaj pristup na bazi toga da Rumfordovi eksperimenti ni na koji način nisu predstavljali sistematska kvantitativna merenja. U jednoj od njegovih ličnih napomena, Džul tvrdi da Majerova merenja nisu bila preciznija od Rumfordovih.

Džulu se pridaju zasluge za objašnjavanje fenomena zelenog bljeska u pismu mančesterskom Književnom i filozofskom društvu iz 1869: zapravo, on je samo napomenuo (sa skicom) poslednji pogled kao plavičasto zeleni.

Literatura

• Bottomley, J. T. (1882). „James Prescott Joule”. Nature. 26 (678): 617—620. Bibcode:1882Natur..26..617B. doi:10.1038/026617a0. 
• Cardwell, D. S. L. (1991). James Joule: A Biography. Manchester University Press. ISBN 978-0-7190-3479-4. 
• Forrester, J. (1975). „Chemistry and the Conservation of Energy: The Work of James Prescott Joule”. Studies in the History and Philosophy of Science. 6 (4): 273—313. doi:10.1016/0039-3681(75)90025-4. 
• Fox, R, "James Prescott Joule, 1818–1889", in North, J. (1969). Mid-nineteenth-century scientists. Elsevier. str. 72—103. ISBN 978-0-7190-3479-4. 
• Reynolds, Osbourne (1892). Memoir of James Prescott Joule. Manchester, England: Manchester Literary and Philosophical Society. Pristupljeno 5. 3. 2014. 
• Sibum, H. O. (1995). „Reworking the mechanical value of heat: instruments of precision and gestures of accuracy in early Victorian England”. Studies in History and Philosophy of Science. 26: 73—106. doi:10.1016/0039-3681(94)00036-9. 
• Smith, C. (1998). The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. London: Heinemann. ISBN 978-0-485-11431-7. 
• Smith, Crosbie (2004). „Joule, James Prescott”. Oxford Dictionary of National Biography (online izd.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/15139.  (Subscription or UK public library membership required.). The first edition of this text is available as an article on Wikisource:  „Joule, James Prescott”. Rečnik nacionalne biografije. London: Smith, Elder & Co. 1885. 
• Smith, C.; Wise, M. N. (1989). Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-26173-9. 
• Steffens, H. J. (1979). James Prescott Joule and the Concept of Energy. Watson. ISBN 978-0-88202-170-6. 
• Walker, James (1950). Physics 4th Edition. Pearson. ISBN 978-0-321-54163-5. 

Spoljašnje veze

• The scientific papers of James Prescott Joule (1884)
• The joint scientific papers of James Prescott Joule (1887)
• Classic papers of 1845 and 1847 at ChemTeam website
• Joule's water friction apparatus
• Some Remarks on Heat and the Constitution of Elastic Fluids
• Joule Manuscripts
• University of Manchester material on Joule
•  „Joule, James Prescott”. Rečnik nacionalne biografije. London: Smith, Elder & Co. 1885 
• „Dr. Joule”. Electrical Engineer. London: Biggs & Co (18 October): 311—312. 1889. Pristupljeno 16. 5. 2008 
• Joule Physics Laboratory Архивирано на сајту Wayback Machine (29. јануар 2013)
• Joule’s Brewery