James Prescott Joule

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

James Prescott Joule, (24. prosince 1818 Salford u Manchesteru, 11. října 1889) byl anglický fyzik.

Joule studoval povahu tepla, a objevil její vztah k mechanické práci a energii. To vedlo k teori zachování energie (První zákon termodynamiku). Spolupracoval s Williamem Thomsonem na vytvočení absolutní teplotní stupnice, provedl pozorování magnetostrikce a našel vztah nyní nazývaný Jouleův zákon.

[editovat] Dětství

narodil se jako čtvrtý syn Benjamina a Alice Joulových. První dva chlapci, které spolu měli, zemřeli v dětství. Po Jamesovi se narodily ještě tři sourozenci Alice, která zemřela ve 14 letech, Mary a mladší bratr Johna.

V mládí trpěl chorobou páteře, což mělo velký vliv na jeho uzavřenější a stydlivější povahu. James nechodil do normální školy, ale byly vyučován domácími učiteli. Ve čtrnácti letech počal navštěvovat univerzitu v Manchesteru, ale již o dva roky později ji opustil kvůli studiu u významného britského chemika a fyzika Johna Daltona zastánce atomistické teorie.

James měl jako dítě rád vlaky a tento zájem o parní lokomotivy zřejmě ovlivnil jeho pozdější vztah k tepelné energii a k termodynamice.

[editovat] První experimenty

Ačkoliv Joule pracoval v otcově pivovaru, jeho zájem tkvěl v experimentování s jevy, jež jsou v přírodě samovolné. John Dalton mu vštěpoval, že musí být naprosto přesný experimentátor. Dalton krom učení aritmetiky a geometrie zasvěcoval Jamese do chemie. Joule se v půběhu školení stal velmi zručný v práci s laboratorním zařízením. Po návratu domů mu jeho otec nechal postavit laboratoř. James si dokázal vyrobit měřící přístroje s opravdu vysokým stupněm přesnosti.

Od roku 1837 do 1856 Joule pracoval v rodinném pivovaru. Doufal, že nahradí parní stroje elektrickými motory. Jeho první výzkum se soustředil na zlepšení efektivity elektrických motorů. Již ve dvaceti letech sestrojil elektrický motor, který využíval otáčivého pohybu vodiče s proudem v magnetickém poli. Jeho výzkum se týkal však i produkce tepla. Jeden z jeho prvních zájmů bylo elektrické pole. Snažil se vylepšit elektrický motor tím, že budou baterie a elektromagnet mnohem výkonnější. Jeho pokusy navrhnout motor, aby vyráběl elektřinu nekonečné síly selhaly a on postupně zjišťoval, že jeho cíl je nedosažitelný.

Začal se zabývat měřením práce a tepla vyrobeného elektřinou. Joule stále věřil, že elektrický motor nahradí jednou parní stroj. Joule změnil směr svého zájmu na přeměnu elektřiny v teplo. To mu přineslo cenný poznatek:

Množství tepla vyvinutého za sekundu ve vodiči, kterým protéká elektrický proud, je přímo úměrné čtverci proudu a elektrického odporu vodiče.

Tento zákon, který je dnes uveřejňován jako Joulův zákon byl zveřejněn v prosinci r. 1840.

[editovat] Vrchol tepelných výzkumů

Nejvíce výzkumů Joule provedl mezi roky 1837 až 1847. V této době spolupracoval s Hermannem von Helmholzem, Juliem von Mayerem, Williamem Thomsonem. Pro množství práce potřebné pro vytvoření jednotky tepla nazývaný měrný tepelný ekvivalent. S použitím různých materiálů, také zjistil, že teplo je forma energie nezávisející na látce, která je zahřívaná. Zjistil, že jakmile byla elektřina vytvořena elektrickou, nebo mechanickou energií, výsledné teplo bylo úplně stejné. Dokázal, že jakákoliv forma energie, ať už elektrická, chemická nebo mechanická vyrábí stejné množství tepla. S těmito pokusy udělal Joule krok dál k určení přesného mechanického ekvivalentu tepla.

Zjistil také, že teplo není tekutina, čemu se v jeho době běžně věřilo, ale forma energie. Poukázal na to, že energie je uchována během práce a z toho vznikl jeho zákon o zachování energie. Vysvětlil, že energie nikam nemizí, pouze přechází do jiných podob. To je jeden ze základních fyzikálních zákonů, který se dnes nazývá ”zákon o zachování energie”. Ten dal vznik nové vědní disciplíně zvané termodynamika. Joulovy experimenty dokázaly, že teplo je produkováno pohybem, popírající kalorickou teorii. V roce 1846 objevil Joule jev magnetostrikce, železná tyč trochu změní svoji délku, když je zmagnetizovaná. Tento jev se nyní používá ve spojení s ultra-sonickými zvukovými vlnami.

Můžeme říci, že Joule nebyl jen obyčejný badatel, protože on byl také vynálezce. Mezi jeho vynálezy patří například elektrické svařování nebo výtlaková pumpa. Dříve v jeho životě byl kritizován za to, že kreslil náčrty založené na jeho výzkumech, které nebyly kompletně ověřené. Joule si to vzal k srdci a přestože byla známá jeho přesnost výzkumů, také byl znám jako velice opatrný k vytváření závěrů o svých výzkumech.

[editovat] Konec života

Joule byl zvolen do Královské společnosti v roce 1850, zastával funkci prezidenta Britské asociace pro pokrok ve vědě v letech 1872 a 1887. Nikdy se nestal profesorem a celý svůj život zůstal pivovarníkem.

Joule financoval své vyzkumy z vlastní kapsy, což mělo své výhody i nevýhody. Jednou z výhod bylo, že si sám udával pracovní dobu a předmět studia. Nevýhodou byla nedostatečná finanční podpora, která byla neustále potřeba. Bohužel v roce 1875 peníze došly a od tohoto roku začaly kumulovat jeho zdravotní problémy. 11. října 1889 podlehl jakési formě degenerace mozku.