جيمس بريسكوت جول
جيمس بريسكوت جول (24 ديسمبر 1818-11 أكتوبر 1889) فيزيائي إنجليزي ذائع الصيت اعتمد على نفسه في التعليم، فلم يتلق أي تدريب أكاديمي رسمي ولا تقلد منصبا أكاديميا. ورغم ذلك، ونظرا لذكائه وحبه للعلم فقد عمل مع علماء عصره الأوائل، واستنتج من هذه التجارب المكافئ الميكانيكي الحراري. ونتيجة لأبحاث جول المهمة فقد أطلق اسمه على وحدة الشغل والطاقة وهي الجول joule ويرمز لها بالرمز (J).
كان جول من أعظم الفيزيائيين في انكلترا. له اكتشافات هامة منها قانون التسخين في الموصل الكهربائي وبحوث كثيرة في الكهربائية المغنطيسية، ولعل أشهر أعماله هو تعيين المكافئ الميكانيكي للحرارة. له بحوث فيزيائية هامة كثيرة. لقد آثر عدم انخراط جول في التدريس في عدم اشتهار أعماله أاثناء حياته. حصل على ميدالية كويلي كما كان زميلاً في الجمعية الملكية. سميت وحدة الطاقة: الجول باسمه. والجول يساوي واط × ثانية.
ولد جيمس بريسكوت جول (1758-1884) في سالفورد بالقرب من مانشستر، قيل انه كان الثاني من خمسة أطفال لبنيامين جول مالك مصنع الجعة، تلقى تعليمه في المنزل حتى 1834 عندما أرسل للدراسة مع أخيه الأكبر، جنبا إلى جنب مع جون دالتون في جمعية مانشيستر الأدبية والفلسفية. درس الأخوان لمدة سنتين الهندسة والحساب قبل أن يضطر جون دالتون للانسحاب بسبب جلطة في المخ. ومع ذلك، كان نفوذ دالتون حاسم، وكذا نفوذ شريكه الكيميائي وليم هينر ومهندسي مانشستر بيتر ايورت وإيتون هودجكينسون. تولى جون ديفيز تعليمهم. وقد سحرت الكهرباء الأخوان جون وكانا يقومان بالتجارب هو وشقيقه من خلال إعطاء صدمات كهربائية لبعضهما البعض.
بعد ذلك عمل جيمس بريسكوت جول في المصنع الأسري وتقلد منصباً مهماً حتى بيع المصنع في عام 1854. وكان العلم مجرد هواية بالنسبة له لكنه سرعان ما بدأت دراسة إمكانية استبدال الآلة البخارية لمعمل الجعة بالمحرك الكهربائي الذي تم اخترعه حديثاً.
في 1838 كتب أول منشور علمي في الكهرباء، المجلة العلمية التي أسسها ستورجون، زميل السيد ديفيز. اكتشف جول في عام 1840 . عندما انتقل ويليام إلى مانشستر في عام 1840 . وكان الاثنان يعتقدان أن كل من العلم والتكنولوجيا يمكن وينبغي أن تكون متكاملة.
على الرغم من السمعة الدولية التي تمتع بها ابتداءً من 1850، الا انه لم يتقلد أي منصب علمي أو جامعي، وبقي في منطقة مانشستر حتى وفاته، والتي وقعت بعد حوالي سبعة عشر عاما من المرض.
كان واحدا من أعظم علماء الفيزياء في عصره؛ جول اشتهر لابحاثه في مجال الكهرباء والديناميكا الحرارية. خلال بحثه في الحرارة المنبعثة في دائرة كهربائية، صاغ القانون، المعروف باسمه بشأن الحرارة الكهربائية، والذي يشير إلى أن كمية الحرارة الناتجة في الثانية الواحدة في موصل بفعل مرور تيار كهربائي تكون متناسبة مع المقاومة الكهربائية للموصل ومع مربع التيار الكهربائي.
تحقق جول تجريبيا من قانون حفظ الطاقة في دراسته على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. باستخدام عدة أساليب مستقلة، استطاع جول تحديد العلاقة العددية بين الطاقة الحرارية والطاقة الميكانيكية أي ما يعادل الحرارة ميكانيكياً.
برفقة الفيزيائي وليام طومسون، اكتشف جول أن درجة حرارة غاز ما تنخفض إذا كبر حجمه دون اخضاعه لأية عملية خاصة. هذه الظاهرة، وهي أساس أنظمة التبريد وتكييف الهواء الحالية. تلقى جول التكريم مرات عديدة من الجامعات والجمعيات العلمية في جميع أنحاء العالم. مقالاته العلمية تم نشرها في 1985 وفي 1987 في مجلدين.
وضع جيمس جول للقانون الأول للديناميكا الحرارية
من المؤكد أن أي شخص يتبع نظاما غذائيا محدد قد سمع عن جيمس جول الذي كان يعمل كفيزيائي. وقد سميت وحدة قياس الطاقة التي يحتويها الغذاء نسبة إليه. تقاس الطاقة بجميع أشكالها الآن بوحدة القياس جول.
درس جول العلوم عام ١٨٠١ مع جون دالتون مكتشف النظرية الذرية، والمواطن الأكثر شهرة في مدينة مانشستر أثار المحرك الكهربائي اهتمام جول وهو الأمر الذي حئه إل الاهتمام بدراسة الطاقة، ذلك المصطلح الذي يعد واحدا من المصطلحات الحديثة في ذاك الوقت ومصطلح "الشغل" المتعلق به ومحاولة الربط مهما وبين الحرارة: كان جول رجل دين ورع مثله مثل الكثير من العلماء في ذلك العصر. ربما حاول اقتفاء أثر هذه العلاقة بين الطاقة والشغل والحرارة لرغبته في إيجاد شكل من أشكال الترابط بين الظواهر المختلفة في الطبيعة.
يعلم جول جيداً أن رفع ثقل ما في مقابل قوة الجاذبية يتطلب بعض الشغل. وبالتالي، فإن سقوط الثقل يسمح بإنتاج الطاقة. ويعلم أيضا أن الحرارة "الطاقة" تزيد من سخونة الماء. لذا، قام ببناء جهاز جيد يدفع فيه الثقل الساقط المحراك إلى تحريك الماء في إناء عازل ثم تسخينه. أعد بعدها مقارنة بين الطاقة التي تتولد من الثقل الساقط والحرارة التي تمثلها درجة حرارة الماء المرتفعة. وبتكرار هذه التجربة عدة مرات على مدار أربعينيات القرن التاسع عشر، اتضح أن النسبة بين الدرجتين دائما متماثلة. لذا، فإن الشغل لفترة طويلة ينتج عنه كمية هائلة من الحرارة طبقا لهذا القانون. حدد جول معدل تبادل ثابت بين الشغل والحرارة، المعدل الذي سمي فيما بعد بالمكافئ الميكانيكي للحرارة. وقد أطلق عليه البعض مكافئ جول.
إن كلاً من الشغل/ الطاقة من ناحية والحرارة من ناحية أخرى وجهان لعملة واحدة. فالحرارة هي الشغل والشغل هو الحرارة، مما يمثل القانون الأول للديناميكا الحرارية. من الممكن تحويل الشغل إلى حرارة والعكس صحيح من خلال محرك بخاري على سبيل المثال ولكن (وهذه هي النقطة الحاسمة) دون فقد أي شيء مطلقا في عملية التحويل. فالطاقة لا تفنى أو تستهلك من العدم وإنما ببساطة تتحول من صورة إلى أخرى. وبذلك، فإن أي فقد أو زيادة في الطاقة يكون واضحا.
توصل جول إلى علاقة مماثلة أخرى تتعلق بالكهرباء. وتتمثل تلك العلاقة في حركة الشحنات الكهربائية التي يمكن أن تتحول إلى حرارة من خلال نوع ما من أنواع الاحتكاك الكهربائي المعروفة بالمقاومة (١٨٢٦). يتساوى المعدل الذي تنطلق عنده الحرارة (القوة وتقاس بالوات) مع الجهد مضروبا في التيار. عند كتابة هذه الصيغة باستخدام الرموز الرياضية، فإنها تشكل بذلك معادلة جول.
وحدة الجول: الجول هي وحدة قياس الطاقة أو الشغل. يتولد ١ جول من الشغل عندما يتحرك جسم ما بقوة قدرها ١ نيوتن لمسافة ١ متر. ينطلق جول واحد من الطاقة كل ثانية بواسطة تيار كهربائي شدته ١ أمبير يتدفق بمقاومة قدرها ١ أوم.
الوات: الوات (نسبة إلى رائد المحركات البخارية في القرن الثامن عشر هي وحدة قياس القوة؛ بمعنى معدل الطاقة الداخلة أو الخارجة. ١ وات يساوي ١ جول في الثانية. أما القدرة الحصانية الواحدة فتساوي ٧٤٥ وات.
يشير الشكل إلى التجربة التي أوضح بها جيمس جول قانون بقاء الطاقة. يفقد الثقل (الساقط بسرعة ثابتة) الطاقة الكامنة (المختزنة) كلما اقترب من مركز الأرض. ومن خلال السلك الذي يلتف حول عمود الدوران والمحراك الملحق به، تنتقل هذه الطاقة إل الماء وتتحول إلى حرارة تعمل على تسخين الماء. لا يفقد أي مقدار من الطاقة تحت الظروف المثلى.
ذُكر قانون جول لبقاء الطاقة لأول مرة في محاضرة عامة عام ١٨٤٧ بعد أعوام من إجراء التجارب. واجه جول الآراء التشكيكية من أولئك الذين يشكون في دقته التجريبية أو ممن يؤيدون نظرية السيال الحراري التي دحضها جول وأضعفها. ولكن، وبنهاية أربعينيات القرن التاسع عشر، إنتهى الصراع بينهما. يعود الفضل إلى مايكل فاراداي في استجابة الجمعية الملكية للفكرة التي توصل إليها جول، وأصبح بعدها مباشرة عضواً في الجمعية. كما أصبح على علاقة قوية بالعالم طومسون وقد ثبتت جدوى هذه العلاقة.
أعماله
- في عام 1838 قام ببناء محرك كهرومغناطيسي.
- في عام 1841 نفذ تجربة لإثبات العلاقة بين التيار والمقاومة والحرارة
- في عام 1845، اخترع عجلة التجديف التي ساعدته على فهم مفهوم الحفاظ على الطاقة
- عمل على مقياس الحرارة المطلق المعروف باسم “اللورد كلفن“.
