ג'יימס פרסקוט ג'ול
ג'יימס פרסקוט ג'ול (James Prescott Joule; 24 בדצמבר 1818 – 11 באוקטובר 1889) היה פיזיקאי אנגלי. ג'ול חקר את טבע החום וגילה את הקשר שלו לעבודה מכנית. הדבר הוביל לחוק שימור האנרגיה, שהוביל בתורו לפיתוח החוק הראשון של התרמודינמיקה. יחידת האנרגיה במערכת היחידות הבינלאומית (SI), הג'ול (J), קרויה על שמו.
הוא עבד עם לורד קלווין (Lord Kelvin) כדי לפתח סולם טמפרטורה תרמודינמי מוחלט, שנודע בשם סולם קלווין. ג'ול גם ביצע תצפיות על מגע-מגנטוסטריקציה, ומצא את הקשר בין הזרם העובר דרך נגד לבין החום המתפזר, הידוע גם כחוק ג'ול הראשון. הניסויים שלו על תמורות אנרגיה פורסמו לראשונה בשנת 1843.
שנים מוקדמות
ג'יימס ג'ול נולד בשנת 1818, בנם של בנג'מין ג'ול, מבשל בירה אמיד, ואשתו, אליס פרסקוט, ברחוב ניו ביילי בסלפורד. בצעירותו למד ג'ול אצל המדען המפורסם ג'ון דלטון (John Dalton) והושפע רבות מהכימאי ויליאם הנרי (William Henry) ומהמהנדסים ממנצ'סטר פיטר אוורט (Peter Ewart) ואיטון הודג'קינסון (Eaton Hodgkinson). הוא היה מוקסם מחשמל, והוא ואחיו נהגו לערוך ניסויים שכללו מתן מכות חשמל זה לזה ולמשרתי המשפחה.
כמבוגר, ניהל ג'ול את המבשלה. המדע היה עבורו תחביב רציני בלבד. בסביבות שנת 1840, החל לחקור את ההיתכנות של החלפת מנועי הקיטור של המבשלה במנוע חשמלי שהומצא זה מכבר. מאמריו המדעיים הראשונים בנושא הוגשו לכתב העת Annals of Electricity של ויליאם סטרג'ן (William Sturgeon). ג'ול היה חבר באגודה החשמלית של לונדון, שייסדו סטרג'ן ואחרים.
מתוך מניע ששילב את רצונו של איש עסקים לכמת את הכלכלה של הבחירה, ומניע של סקרנות מדעית, הוא יצא לקבוע איזה מניע ראשוני הוא יעיל יותר. הוא גילה את חוק ג'ול הראשון בשנת 1841, לפיו "החום שמתפתח על ידי הפעולה התקינה של כל זרם וולטאי הוא פרופורציונלי לריבוע עוצמת הזרם ההוא, כפול התנגדות להולכה שהוא חווה". הוא המשיך והבין ששריפת ליבר אחת של פחם במנוע קיטור חסכונית יותר מליבר אחת יקרה של אבץ הנצרך בסוללה חשמלית. ג'ול תיעד את התפוקה של השיטות החלופיות במונחים של תקן משותף, היכולת להרים מסה השוקלת ליבר אחת לגובה של רגל אחת, רגל-ליבר.
עם זאת, העניין של ג'ול הוסט מהשאלה הכספית הצרה לשאלה כמה עבודה ניתן להפיק ממקור נתון, מה שהוביל אותו להעלות השערות לגבי יכולת ההמרה של אנרגיה. בשנת 1843 פרסם תוצאות של ניסויים המראים כי אפקט החימום שכימת ב-1841 נבע מיצירת חום במוליך ולא מהעברתו מחלק אחר של הציוד. זה היה אתגר ישיר לתאוריית הקלוריק שטענה כי לא ניתן ליצור חום או להשמידו. תאוריית הקלוריק שלטה בחשיבה במדעי החום מאז שהוצגה על ידי אנטואן לבואזייה (Antoine Lavoisier) בשנת 1783. יוקרתו של לבואזייה וההצלחה המעשית של תאוריית הקלוריק של סאדי קרנו (Sadi Carnot) על מנוע החום מאז 1824 הבטיחו שלג'ול הצעיר, שעבד מחוץ לאקדמיה או למקצוע ההנדסה, צפויה דרך קשה. תומכי תאוריית הקלוריק הצביעו בקלות על הסימטריה של אפקט פלטייה-זבק כדי לטעון שחום וזרם ניתנים להמרה בתהליך הפיך, לפחות בקירוב.
השקילות המכנית של החום
ניסויים ומדידות נוספים עם המנוע החשמלי שלו הובילו את ג'ול להעריך את השקילות המכנית של החום כ-4.1868 ג'ול לקלוריה (עבודה הנדרשת להעלאת הטמפרטורה של גרם אחד של מים במעלת צלזיוס אחת או קלווין אחד). הוא הכריז על תוצאותיו בפגישה של המחלקה הכימית של האגודה הבריטית לקידום המדע בקורק באוגוסט 1843 ונתקל בשתיקה.
ג'ול לא נרתע והחל לחפש הדגמה מכנית טהורה להמרת עבודה לחום. על ידי דחיפת מים דרך גליל מנוקב, הוא יכול היה למדוד את החימום הצמיגי הקל של הנוזל. הוא קיבל שקילות מכנית של 770 רגל-ליבר כוח לכל יחידת חום בריטית (4.14 ג'ול/קלוריה). העובדה שהערכים שהתקבלו הן באמצעים חשמליים והן באמצעים מכניים טהורים היו בהסכמה לפחות לשתי ספרות משמעותיות הייתה, עבור ג'ול, עדות משכנעת למציאות של המרת עבודה לחום.
> בכל מקום שבו מושקע כוח מכני, תמיד מתקבל שווה ערך מדויק של חום.
— ג'יי. פי. ג'ול, אוגוסט, 1843
ג'ול ניסה כעת מסלול שלישי. הוא מדד את החום שנוצר מול העבודה שבוצעה בדחיסת גז. הוא קיבל שקילות מכנית של 798 רגל-ליבר כוח לכל יחידת חום בריטית (4.29 ג'ול/קלוריה). במובנים רבים, ניסוי זה הציע את המטרה הקלה ביותר למבקריו של ג'ול, אך ג'ול הפריך את ההתנגדויות הצפויות באמצעות ניסויים מתוחכמים. ג'ול הקריא את מאמרו בפני החברה המלכותית ב-20 ביוני 1844, אך המאמר נדחה לפרסום על ידי החברה המלכותית והוא נאלץ להסתפק בפרסום בכתב העת Philosophical Magazine בשנת 1845. במאמר הוא היה ישיר בדחייתו את נימוקי הקלוריק של קרנו ואמיל קלפיירון (Émile Clapeyron), דחייה שנבעה בחלקה משיקולים תאולוגיים:
> אני סבור שתאוריה זו... מנוגדת לעקרונות המוכרים של הפילוסופיה מכיוון שהיא מובילה למסקנה שניתן להשמיד vis viva (כוח חי) על ידי סידור לא תקין של המנגנון: כך מר קלפיירון מסיק ש'טמפרטורת האש גבוהה ב-1000 °C עד 2000 °C מזו של הדוד, לכן יש אובדן עצום של vis viva במעבר החום מהתנור לדוד'. מתוך אמונה שהכוח להשמיד שייך לבורא בלבד, אני מצהיר... שכל תאוריה שדורשת את השמדת הכוח, היא בהכרח שגויה.
ג'ול מאמץ כאן את השפה של vis viva (אנרגיה), אולי משום שהודג'קינסון קרא סקירה על "על מדד הכוח המניע" של אוורט בפני האגודה הספרותית והפילוסופית באפריל 1844.
ביוני 1845, ג'ול הקריא את מאמרו "על השקילות המכנית של החום" בפגישת האגודה הבריטית בקיימברידג'. בעבודה זו דיווח על הניסוי הידוע ביותר שלו, הכולל שימוש במשקולת נופלת, שבה כוח המשיכה מבצע את העבודה המכנית, כדי לסובב גלגל משוטים בחבית מבודדת של מים, דבר שהעלה את הטמפרטורה. כעת הוא העריך שקילות מכנית של 819 רגל-ליבר כוח לכל יחידת חום בריטית (4.404 ג'ול/קלוריה). הוא כתב מכתב ל-Philosophical Magazine, שפורסם בספטמבר 1845, המתאר את הניסוי שלו.
בשנת 1850 פרסם ג'ול מדידה מעודכנת של 772.692 רגל-ליבר כוח לכל יחידת חום בריטית (4.155 ג'ול/קלוריה), קרוב יותר להערכות של המאה ה-20.
קבלה וקדימות
חלק גדול מההתנגדות הראשונית לעבודתו של ג'ול נבע מהתלות שלה במדידות מדויקות ביותר. הוא טען כי הוא מסוגל למדוד טמפרטורות בדיוק של 1/200 של מעלת פרנהייט (3 מילי-קלווין). דיוק כזה היה בהחלט יוצא דופן בפיזיקה הניסויית של התקופה, אך ייתכן שהספקנים שבו התעלמו מניסיונו באומנות בישול הבירה ומגישתו לטכנולוגיות המעשיות שלה. הוא נתמך גם על ידי יצרן המכשירים המדעיים ג'ון בנג'מין דנסר (John Benjamin Dancer). הניסויים של ג'ול השלימו את העבודה התאורטית של רודולף קלאוזיוס (Rudolf Clausius), הנחשב על ידי חלק מהאנשים כממציא שותף של מושג האנרגיה.
ג'ול הציע תאוריה קינטית של חום (הוא האמין שזו צורה של אנרגיה קינטית סיבובית, ולא תנועתית), וזה דרש קפיצה תפיסתית: אם חום הוא צורה של תנועה מולקולרית, מדוע תנועת המולקולות לא דועכת בהדרגה? הרעיונות של ג'ול דרשו להאמין שהתנגשויות המולקולות הן אלסטיות לחלוטין. חשוב מכך, עצם קיומם של אטומים ומולקולות לא התקבל באופן נרחב במשך 50 שנה נוספות, אם כי העבודה החיונית על קיום מולקולות, אטומים ואלקטרונים הייתה בעיצומה לאורך המאות ה-19 וה-20, מג'ון דלטון ועד ארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford). אוסף של עבודות דלטון פורסם ב-1893, 49 שנים לאחר מותו.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →אף שייתכן שקשה להבין כיום את כוח המשיכה של תאוריית הקלוריק, באותה עת נראה שהיו לה כמה יתרונות ברורים. התאוריה המוצלחת של קרנו על מנועי חום התבססה גם היא על הנחת הקלוריק, ורק מאוחר יותר הוכח על ידי לורד קלווין שהמתמטיקה של קרנו תקפה באותה מידה ללא הנחת נוזל קלורי.
עם זאת, בגרמניה, הרמן פון הלמהולץ (Hermann Helmholtz) נחשף לעבודתו של ג'ול ולעבודה דומה משנת 1842 של יוליוס רוברט פון מאייר (Julius Robert von Mayer). אף ששני האנשים לא זכו להתייחסות מאז פרסומיהם, ההכרזה המכריעה של הלמהולץ מ-1847 על שימור האנרגיה זיכתה את שניהם.
גם בשנת 1847, באחת המצגות של ג'ול באגודה הבריטית באוקספורד, נכחו ג'ורג' גבריאל סטוקס (George Gabriel Stokes), מייקל פאראדיי (Michael Faraday), וויליאם תומסון (William Thomson) הצעיר והמבריק, לימים לורד קלווין, שזה עתה מונה לפרופסור לפילוסופיה של הטבע באוניברסיטת גלזגו. סטוקס היה "נוטה להיות ג'ולאי" ופאראדיי היה "מאוד מופתע מזה" למרות שהיו לו ספקות. תומסון היה מסוקרן אך ספקן.
באופן לא מתוכנן, תומסון וג'ול נפגשו מאוחר יותר באותה שנה בשאמוני. ג'ול נשא את אמיליה גריימס (Amelia Grimes) לאישה ב-18 באוגוסט והזוג יצא לירח דבש. על אף ההתלהבות הנישואין, ג'ול ותומסון תכננו לנסות ניסוי כמה ימים לאחר מכן כדי למדוד את הפרש הטמפרטורות בין החלק העליון והתחתון של מפל קסקד דה סלאנש (Cascade de Sallanches), אם כי הדבר התברר כבלתי מעשי.
למרות שתומסון הרגיש שתוצאותיו של ג'ול דורשות הסבר תאורטי, הוא נסוג להגנה נמרצת על האסכולה של קרנו-קלפיירון. בדיווח שלו מ-1848 על טמפרטורה מוחלטת, תומסון כתב ש"המרה של חום (או קלוריק) לאפקט מכני היא כנראה בלתי אפשרית, בוודאי לא התגלתה" – אך הערת שוליים סימנה את ספקותיו הראשונים לגבי תאוריית הקלוריק, בהתייחסו ל"תגליות המאוד מדהימות" של ג'ול. באופן מפתיע, תומסון לא שלח לג'ול עותק של המאמר שלו, אך כאשר ג'ול קרא אותו לבסוף, הוא כתב לתומסון ב-6 באוקטובר, וטען שמחקריו הדגימו המרת חום לעבודה אך הוא מתכנן ניסויים נוספים. תומסון השיב ב-27 באוקטובר, וחשף שהוא מתכנן ניסויים משלו ומקווה לפיוס בין שתי דעותיהם. אף שתומסון לא ערך ניסויים חדשים, במהלך השנתיים הבאות הוא הפך להיות מתוסכל יותר ויותר מהתאוריה של קרנו ומשוכנע בזו של ג'ול. במאמרו מ-1851, תומסון היה מוכן להגיע רק עד פשרה והצהיר ש"כל התאוריה של כוח ההנעה של חום מבוססת על שתי טענות, השייכות בהתאמה לג'ול, ולקרנו וקלאוזיוס".
ברגע שג'ול קרא את המאמר הוא כתב לתומסון עם הערותיו ושאלותיו. כך החל שיתוף פעולה פורה, אם כי ברובו התכתבותי, בין שני האנשים, ג'ול ביצע ניסויים, ותומסון ניתח את התוצאות והציע ניסויים נוספים. שיתוף הפעולה נמשך מ-1852 עד 1856, ותגליותיו כללו את אפקט ג'ול-תומסון, והתוצאות שפורסמו עשו רבות להבאת קבלה כללית לעבודתו של ג'ול ולתאוריה הקינטית.
תאוריה קינטית
קינטיקה היא מדע התנועה. ג'ול היה תלמידו של דלטון ואין זה מפתיע שהוא רכש אמונה איתנה בתאוריה האטומית, למרות שהיו מדענים רבים בתקופתו שעדיין היו ספקנים. הוא היה גם אחד האנשים הבודדים שהיו קשובים לעבודתו המוזנחת של ג'ון הירפאת' (John Herapath) על התאוריה הקינטית של גזים. הוא הושפע עוד יותר מהמאמר של פיטר אוורט משנת 1813 "על מדד הכוח המניע".
ג'ול תפס את הקשר בין תגליותיו לתאוריה הקינטית של החום. מחברות המעבדה שלו חושפות שהוא האמין שהחום הוא צורה של תנועה סיבובית, ולא תנועתית.
ג'ול לא יכול היה שלא למצוא מקדימים לדעותיו אצל פרנסיס בייקון (Francis Bacon), סר אייזק ניוטון (Isaac Newton), ג'ון לוק (John Locke), בנג'מין תומפסון (הרוזן רמפורד) (Benjamin Thompson) וסר האמפרי דייווי (Humphry Davy). אף שדעות כאלה מוצדקות, ג'ול המשיך והעריך ערך לשקילות המכנית של החום של 1,034 רגל-ליבר מפרסומיו של רמפורד. כמה כותבים מודרניים מתחו ביקורת על גישה זו בטענה שהניסויים של רמפורד בשום אופן לא היו מדידות כמותיות שיטתיות. באחד מהערותיו האישיות, ג'ול טוען שהמדידה של מאייר לא הייתה מדויקת יותר מזו של רמפורד, אולי בתקווה שמאייר לא הקדים את עבודתו שלו.
לג'ול יוחס הסבר לתופעת ההבזק הירוק בשקיעה במכתב לאגודה הספרותית והפילוסופית של מנצ'סטר בשנת 1869; למעשה, הוא ציין את המבט האחרון ככחול-ירוק, מבלי לנסות להסביר את התופעה.
עבודות שפורסמו
"On the Heat evolved by Metallic Conductors of Electricity, and in the Cells of a Battery during Electrolysis". Philosophical Magazine. 19 (124): 260. 1841. doi:10.1080/14786444108650416.
- "On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat". Philosophical Magazine. 3. 23 (154): 435–443. 1843. doi:10.1080/14786444308644766.
- "On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air". Proceedings of the Royal Society of London. 5: 517–518. 1844. doi:10.1098/rspl.1843.0031.
- "On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air". Philosophical Magazine. 3. 26 (174): 369–383. 1845. doi:10.1080/14786444508645153.
- "On the Mechanical Equivalent of Heat". Notices and Abstracts of Communications to the British Association for the Advancement of Science. 15. 1845b. Read before the British Association at Cambridge, June 1845.
- "On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power". Philosophical Magazine. 3. 27 (179): 205–207. 1845c. doi:10.1080/14786444508645256.
- "On the Mechanical Equivalent of Heat". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 140: 61–82. 1850. doi:10.1098/rstl.1850.0004.
- The Scientific Papers of James Prescott Joule. London: Physical Society. 1884. OL 239730M.
- Joint scientific papers. London: Taylor and Francis. 1887.
כבוד והוקרה
ג'ול נפטר בביתו בסייל וקבור בבית העלמין ברוקלנדס שם. פאב וות'רספונס (Wetherspoons) בסייל, העיר שבה מת, קרוי על שמו "The J. P. Joule".
הכבוד וההוקרה של ג'ול כוללים:
- עמית החברה המלכותית (1850) המדליה המלכותית (1852), 'עבור מאמרו על השקילות המכנית של החום, שנדפס ב-Philosophical Transactions עבור 1850'
- מדליית קופלי (1870), 'עבור מחקריו הניסויים על התאוריה הדינמית של החום'
- נשיא האגודה הספרותית והפילוסופית של מנצ'סטר (1860)
- נשיא האגודה הבריטית לקידום המדע (1872, 1887)
- חברות כבוד במוסד המהנדסים ובוני הספינות בסקוטלנד (1857)
- תוארי דוקטור לשם כבוד: LL.D., טריניטי קולג', דבלין (1857)
- ג'ול קיבל פנסיה תקציבית של 200 ליש"ט בשנה ב-1878 עבור שירותים למדע
- מדליית אלברט של החברה המלכותית לאמנויות (1880), 'על כך שביסס, לאחר מחקר מייגע ביותר, את הקשר האמיתי בין חום, חשמל ועבודה מכנית, ובכך סיפק למהנדס מדריך בטוח ביישום המדע לעיסוקים תעשייתיים'
יש אנדרטה לג'ול בספינה הצפונית של מנזר וסטמינסטר, אם כי הוא לא קבור שם, בניגוד למה שכתוב בביוגרפיות מסוימות. פסל של ג'ול מאת אלפרד גילברט (Alfred Gilbert) ניצב בבית העירייה של מנצ'סטר.
משפחה
ג'ול נשא את אמיליה גריימס לאישה בשנת 1847. היא נפטרה בשנת 1854, שבע שנים לאחר חתונתם. נולדו להם שלושה ילדים: בן, בנג'מין ארתור ג'ול (1850–1922), בת, אליס אמיליה (1852–1899), ובן שני, ג'ו (נולד ב-1854, נפטר שלושה שבועות לאחר מכן).