من الواضح أن النظام مصان في الكون... يحكمه الإرادة السيادية لله.
James Prescott Joule كان فيزيائياً وعالم رياضيات وصاحب مصنع جعة إنجليزياً، وُلِد في Salford، Lancashire. درس Joule طبيعة الحرارة، واكتشف علاقتها بالعمل الميكانيكي انظر الطاقة. أدى هذا إلى قانون حفظ الطاقة، الذي بدوره أدى إلى تطوير القانون الأول للديناميكا الحرارية. وحدة الطاقة المشتقة من النظام الدولي للوحدات، الجول، سُميت على اسمه.
عمل مع Lord Kelvin لتطوير مقياس درجة حرارة ديناميكي مطلق، والذي أصبح يُعرف بمقياس Kelvin. كما أجرى Joule ملاحظات حول التمغنط الانفعالي، واكتشف العلاقة بين التيار المار عبر مقاومة والحرارة المُبددة، والتي تُسمى أيضاً قانون Joule الأول. نُشرت تجاربه حول تحولات الطاقة لأول مرة في 1843.
السنوات الأولى
وُلِد James Joule في 1818، ابن Benjamin Joule 1784–1858، صاحب مصنع جعة ثري، وزوجته Alice Prescott، على شارع New Bailey في Salford. تلقى Joule تعليماً خصوصياً من قبل العالم الشهير John Dalton وتأثر بقوة من الكيميائي William Henry ومهندسي Manchester Peter Ewart و Eaton Hodgkinson. كان مفتوناً بالكهرباء، وهو وأخوه جرّبا إعطاء الصدمات الكهربائية لبعضهما البعض وللخدم في العائلة.
كبالغ، أدار Joule مصنع الجعة. كانت العلوم مجرد هواية جادة. حول عام 1840، بدأ في التحقيق من جدوى استبدال محركات البخار بمصنع الجعة بالمحرك الكهربائي المخترع حديثاً. كانت أوراقه العلمية الأولى حول هذا الموضوع قد ساهم فيها في Annals of Electricity لـ William Sturgeon. كان Joule عضواً في جمعية London Electrical Society، التي أسسها Sturgeon والآخرون.
مُحفَّزاً جزئياً برغبة رجل أعمال في تحديد اقتصاديات الخيار، وجزئياً بفضول علمي، شرع في تحديد أي محرك رئيسي كان أكثر كفاءة. اكتشف قانون Joule الأول في 1841، أن الحرارة التي تتطور من العمل الصحيح لأي تيار فولتائي تتناسب مع مربع شدة هذا التيار، مضروباً في المقاومة للتوصيل التي يواجهها. بعد ذلك، أدرك أن حرق رطل من الفحم في محرك بخاري كان أكثر اقتصاداً من رطل مكلف من الزنك المستهلك في بطارية كهربائية. استخدم Joule مخرجات الطرق البديلة في شروط معيار مشترك، القدرة على رفع كتلة تزن رطل واحد إلى ارتفاع قدم واحد، القدم-رطل.
لكن اهتمام Joule انحرف من السؤال المالي الضيق إلى كم من العمل يمكن استخراجه من مصدر معين، مما دفعه للتكهن حول قابلية تحويل الطاقة. في 1843 نشر نتائج التجارب التي تظهر أن تأثير التسخين الذي حدده في 1841 كان بسبب توليد حرارة في الموصل وليس نقلها من جزء آخر من المعدات. كان هذا تحدياً مباشراً لنظرية السائل الحراري التي تقول بأن الحرارة لا يمكن أن تُنشأ أو تُدمّر. سيطرت نظرية السائل الحراري على التفكير في علم الحرارة منذ أن قدمها Antoine Lavoisier في 1783. ضمنت هيبة Lavoisier والنجاح العملي لنظرية السائل الحراري لمحرك الحرارة من تأليف Sadi Carnot منذ 1824 أن الشاب Joule، الذي يعمل خارج الأوساط الأكاديمية أو مهنة الهندسة، كان أمامه طريق صعب. أشار أنصار نظرية السائل الحراري بسهولة إلى تناظر تأثير Peltier-Seebeck للزعم بأن الحرارة والتيار كانا قابلين للتحويل في عملية قابلة للعكس على الأقل تقريباً.
المعادل الميكانيكي للحرارة
أدت التجارب والقياسات الإضافية مع محركه الكهربائي إلى تقدير Joule للمعادل الميكانيكي للحرارة بـ 4.1868 جول لكل سعرة حرارية من العمل لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار كلفن واحد. أعلن نتائجه في اجتماع القسم الكيميائي لـ British Association for the Advancement of Science في Cork في أغسطس 1843 واستُقبل بالصمت.
لم يُثبّط Joule عزيمته وبدأ يسعى إلى إثبات ميكانيكي بحت لتحويل العمل إلى حرارة. بإجبار الماء عبر أسطوانة مثقوبة، يمكنه قياس التسخين اللزج الطفيف للسائل. حصل على معادل ميكانيكي يبلغ 770 رطل-قوة قدم لكل وحدة حرارية بريطانية 4,140 جول/سعرة حرارية. حقيقة أن القيم التي تم الحصول عليها بالطرق الكهربائية والميكانيكية البحتة كانت متفقة لما لا يقل عن رتبة واحدة من الحجم كانت، بالنسبة لـ Joule، دليلاً مقنعاً على واقعية قابلية تحويل العمل إلى حرارة.
أينما تُنفق القوة الميكانيكية، يُحصل دائماً على معادل دقيق من الحرارة.
حاول Joule الآن مسار ثالث. قاس الحرارة المتولدة مقابل العمل المنجز في ضغط الغاز. حصل على معادل ميكانيكي يبلغ 798 رطل-قوة قدم لكل وحدة حرارية بريطانية 4,290 جول/سعرة حرارية. بطرق عديدة، قدمت هذه التجربة الهدف الأسهل لنقاد Joule لكن Joule تخلص من الاعتراضات المتوقعة من خلال التجريب الذكي. قرأ Joule ورقته البحثية إلى Royal Society في 20 يونيو 1844، لكن تم رفض ورقته للنشر من قبل Royal Society واضطر إلى الرضا بالنشر في Philosophical Magazine في 1845. في الورقة، كان صريحاً في رفضه للمنطق السائل الحراري لـ Carnot و Émile Clapeyron، وهو رفض مُدفوع جزئياً بدوافع لاهوتية:
أعتقد أن هذه النظرية... معارضة للمبادئ المعترف بها للفلسفة لأنها تؤدي إلى الخلاصة بأن القوة الحية قد تُدمَّر من خلال تنظيم غير لائق للجهاز: وبهذه الطريقة يستنتج السيد Clapeyron أنه "درجة حرارة النار تكون أعلى بـ 1000 إلى 2000 درجة مئوية من درجة حرارة المرجل، هناك فقدان ضخم للقوة الحية في مرور الحرارة من الفرن إلى المرجل." معتقداً بأن السلطة على التدمير تنتمي إلى الخالق وحده أؤكد... أن أي نظرية، عندما يتم تطويرها، تتطلب فناء القوة، فهي بالضرورة خاطئة.
يستخدم Joule هنا لغة القوة الحية الطاقة، ربما لأن Hodgkinson قرأ مراجعة لـ On the measure of moving force لـ Ewart إلى Literary and Philosophical Society في أبريل 1844.
كتب Joule في ورقته البحثية لعام 1844:
... القوة الميكانيكية المبذولة في تشغيل آلة مغناطيسية كهربائية يتم تحويلها إلى الحرارة المتطورة من مرور تيارات الحث عبر ملفاتها؛ ومن ناحية أخرى، فإن القوة الدافعة لمحرك كهرومغناطيسي يتم الحصول عليها على حساب الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية للبطارية التي يعمل بها.
في يونيو 1845، قرأ Joule ورقته البحثية On the Mechanical Equivalent of Heat إلى اجتماع British Association في Cambridge. في هذا العمل، أبلغ عن تجربته الأكثر شهرة، التي تتضمن استخدام وزن سقوط، حيث تقوم الجاذبية بالعمل الميكانيكي، لتدوير دولاب مجاذيف في برميل معزول من الماء مما زاد من درجة الحرارة. قدّر الآن معادل ميكانيكي يبلغ 819 رطل-قوة قدم لكل وحدة حرارية بريطانية 4,404 جول/سعرة حرارية. كتب رسالة إلى Philosophical Magazine، نُشرت في سبتمبر 1845 يصف تجربته.
في 1850، نشر Joule قياس مُحسّن بقيمة 772.692 رطل-قوة قدم لكل وحدة حرارية بريطانية 4,150 جول/سعرة حرارية، أقرب إلى تقديرات القرن العشرين.
الاستقبال والأولوية
جاء الكثير من المقاومة الأولية لعمل Joule من اعتماده على قياسات دقيقة جداً. ادعى أنه قادر على قياس درجات الحرارة بما يصل إلى 1⁄200 من درجة فهرنهايت 3 مك. كان مثل هذا الدقة بالتأكيد غير شائع في الفيزياء التجريبية المعاصرة لكن شاكوه قد يكونون قد أغفلوا خبرته في فن صناعة الجعة والوصول إليه التكنولوجيات العملية لها. كما دعمه بقوة مُصنّع الأجهزة العلمية John Benjamin Dancer. تكملت تجارب Joule العمل النظري لـ Rudolf Clausius، الذي يُعتبر من قبل البعض أنه المخترع المشارك لمفهوم الطاقة.
كان Joule يقترح نظرية حركية للحرارة يعتقد أنها تكون شكلاً من أشكال الطاقة الحركية الدورانية بدلاً من الانتقالية، وهذا تطلب قفزة مفاهيمية: إذا كانت الحرارة شكلاً من أشكال الحركة الجزيئية، فلماذا لا تموت حركة الجزيئات تدريجياً؟ تتطلب أفكار Joule أن نؤمن بأن تصادمات الجزيئات كانت مرنة تماماً. يجب أن نتذكر أيضاً أن وجود الذرات والجزيئات نفسه لم يكن مقبولاً على نطاق واسع لمدة 50 سنة أخرى.
على الرغم من أنه قد يكون من الصعب اليوم فهم جاذبية نظرية السائل الحراري، إلا أنه بدا في ذلك الوقت أنها تتمتع ببعض المزايا الواضحة. اعتمدت نظرية Carnot الناجحة لمحركات الحرارة أيضاً على الافتراض السائل الحراري، وفقط لاحقاً ثبت من قبل Lord Kelvin أن رياضيات Carnot كانت صحيحة بنفس القدر دون افتراض وجود سائل حراري.
لكن في ألمانيا، أصبح Hermann Helmholtz على علم بعمل Joule وأيضاً العمل المشابه في 1842 لـ Julius Robert von Mayer. على الرغم من أن كلا الرجلين تم إهمالهما منذ منشورات كل منهما على التوالي، ساهم إعلان Helmholtz الحاسم في 1847 لحفظ الطاقة في إنسبة كليهما.
أيضاً في 1847، حضرت عرض آخر لـ Joule في British Association في Oxford من قبل George Gabriel Stokes و Michael Faraday والشاب الموهوب والمتمرد William Thomson، الذي أصبح لاحقاً Lord Kelvin، والذي عُيّن للتو أستاذاً للفلسفة الطبيعية في جامعة Glasgow. كان Stokes "ميالاً ليكون Joulite" و Faraday كان "متأثراً جداً به" على الرغم من أنه كان لديه شكوك. كان Thomson مهتماً لكنه متشكك.
بشكل غير متوقع، التقى Thomson و Joule لاحقاً في ذلك العام في Chamonix. تزوج Joule من Amelia Grimes في 18 أغسطس وذهب الزوجان في شهر العسل. بغض النظر عن حماس الزواج، رتب Joule و Thomson محاولة إجراء تجربة بعد بضعة أيام لقياس فرق درجة الحرارة بين الأعلى والأسفل من شلال Cascade de Sallanches، على الرغم من أن هذا أثبت لاحقاً أنه غير عملي.
على الرغم من أن Thomson شعر بأن نتائج Joule تتطلب شرحاً نظرياً، فقد تراجع إلى دفاع حاد عن مدرسة Carnot-Clapeyron. في حسابه عام 1848 للدرجة الحرارة المطلقة، كتب Thomson أن "تحويل الحرارة أو السائل الحراري إلى تأثير ميكانيكي من المحتمل أن يكون مستحيلاً، بالتأكيد لم يُكتشف" - لكن حاشية أشارت إلى شكوكه الأولى حول نظرية السائل الحراري، مشيراً إلى "الاكتشافات البارزة جداً" لـ Joule. بشكل مفاجئ، لم يرسل Thomson لـ Joule نسخة من ورقته لكن عندما قرأها Joule أخيراً كتب إلى Thomson في 6 أكتوبر، مدعياً أن دراساته أثبتت تحويل الحرارة إلى عمل لكنه كان يخطط لمزيد من التجارب. رد Thomson في 27، كاشفاً أنه كان يخطط لتجاربه الخاصة آملاً في تسوية وجهات نظرهما. على الرغم من أن Thomson لم يجرِ تجارب جديدة، خلال السنتين التاليتين أصبح غير راضٍ بشكل متزايد عن نظرية Carnot ومقتنعاً بـ Joule. في ورقته البحثية لعام 1851، كان Thomson على استعداد للذهاب ليس أبعد من التسوية وأعلن "كل نظرية القوة الدافعة للحرارة مؤسسة على اقتراحين، يُنسبان على التوالي إلى Joule، وإلى Carnot و Clausius".
بمجرد أن قرأ Joule الورقة كتب إلى Thomson بتعليقاته وأسئلته. وهكذا بدأت تعاون مثمر، على الرغم من أنه في الغالب من خلال المراسلات، بين الرجلين، يُجري Joule التجارب، يُحلل Thomson النتائج ويقترح المزيد من التجارب. استمر التعاون من 1852 إلى 1856، واشتملت اكتشافاته على تأثير Joule-Thomson، والنتائج المنشورة ساهمت كثيراً في إحداث قبول عام لعمل Joule والنظرية الحركية.
النظرية الحركية
الحركيات هي علم الحركة. كان Joule تلميذاً لـ Dal
.jpg)
