گذر از زمان: زندگی و دستاوردهای جیمز پرسکات ژول

مجموعه: زندگینامه شعرا و دانشمندان

جیمز پرسکات ژول

نقش جیمز پرسکات ژول در پیشرفت‌های علمی

 جیمز پرسکات ژول که بود؟

جیمز پرسکات ژول، تولد ۲۴ دسامبر ۱۸۱۸ در سالفورد، لنکاشایر، و درگذشت ۱۱ اکتبر ۱۸۸۹، یک فیزیکدان، ریاضیدان و  اهل انگلیس بود. او به مطالعه علم گرما می‌پرداخت و ارتباط آن با مکانیک را کشف نمود. این تحقیقات به ایجاد قانون حفظ انرژی منجر شد، که به دور خود باعث توسعه قانون اول ترمودینامیک شد. واحد اندازه‌گیری انرژی، جول، به افتخار او نامگذاری شد.

جیمز پرسکات ژول همکاری‌های مهمی با لرد کلوین داشت و به ایجاد مقیاس دمایی مطلق در حوزهٔ ترمودینامیک کمک کرد، که به آن مقیاس کلوین نیز معروف است. او همچنین به مشاهداتی در زمینه انقباض مغناطیسی پرداخت و ارتباط بین جریان الکتریکی در یک مقاومت و گرمای تلف شده را کشف نمود، که این قانون به نام او به عنوان قانون اول ژول شناخته می‌شود. آزمایش‌ها و پژوهش‌های او در زمینه تبدیل انرژی برای اولین بار در سال ۱۸۴۸ به نتایج مهمی منجر شد. 

زندگینامه جیمز پرسکات ژول

زندگی نامه جیمز ژول

جیمز ژول در تاریخ ۲۴ دسامبر ۱۸۱۸، در خیابان نیو بیلی در شهر سالفورد متولد شد ، پدرش به نام بنجامین ژول (۱۷۸۴-۱۸۵۸) کارخانه آبجوسازی داشت، و مادرش آلیس پرسکات بود . در دوران جوانی، آموزش‌های خود را تحت نظر دانشمند مشهور جان دالتون دریافت کرد و تحت تأثیر شیمیدان معروف ویلیام هنری و مهندسان منچستری چون پیتر اوارت و ایتون هاجکینسون قرار گرفت. او به طور جدی به مطالعه علم مشغول شد و از این علاقه برای آزمایشاتی با الکتریسیته نیز بهره برد. به همراه برادرش، شوک‌های الکتریکی را با یکدیگر و خدمتکاران خانواده تجربه کردند.

بعد از رسیدن به سن بالغی، جیمز ژول مسئولیت مدیریت کارخانه خانوادگی خود را برعهده گرفت. در این دوره، علم برای او فقط یک سرگرمی بود و به مرور زمان، توجه او به تحقیقات علمی افزایش یافت. تا سال ۱۸۴۰، او به بررسی امکان جایگزینی موتورهای بخار معمولی در کارخانه با موتورهای الکتریکی تازه اختراع شده علاقه‌مند شد. اولین مقالات علمی او در این زمینه در سالنامه برق ویلیام استورجن منتشر شد. ژول عضوی از انجمن برق لندن بود که توسط ویلیام استورجن و دیگران تأسیس شده بود.

با ترکیب انگیزه ای تجاری برای تعیین بهینه‌ترین روش اقتصادی با علاقه‌مندی علمی به تحقیق، ژول تصمیم گرفت میزان کارآیی عوامل مختلف را بررسی کند. در سال ۱۸۴۱، او اولین قانون خود را کشف کرد که بیان می‌کند "گرما، تولید شده توسط جریان الکتریکی با شدت مشخص، به مجذور این شدت مربوط است و در عین حال، برابر با مقاومت ضربدر جریان و رسانایی است." سپس او در ادامه متوجه شد که سوزاندن یک پوند زغال سنگ در یک موتور بخار مقرون به صرفه تر از یک پوند گران قیمت روی مصرف شده در یک باتری الکتریکی است.

ژول به منظور تصویر کشیدن مقایسه‌های مختلف، مفهوم خروجی را بر اساس یک معیار مشترک تعریف کرد: بلند کردن یک وزن یک پوند به ارتفاع یک فوت، که به عبارت دیگر فوت-پوند نامید.

اما با گذشت زمان، علاقه‌ی ژول به مسائل مالی کم‌کم به سوالاتی پیرامون تبدیل‌پذیری انرژی متمرکز شد. در سال ۱۸۴۳، او نتایج آزمایش‌هایی را منتشر کرد که نشان می‌داد حرارتی که در سال ۱۸۴۱ اندازه‌گیری کرده بود، ناشی از تولید حرارت در هادی بوده و نه از انتقال آن از منبع دیگری. این نتایج به چالش تئوری کالری انرژی که معتقد بود حرارت نمی‌تواند تولید یا نابود شود، انجامید. این تئوری از زمان ارائه آنتوان لاووازیه در سال ۱۷۸۳، در علم گرما مورد قبول قرار داشت. اعتبار این تئوری با تجربیات موفق کارنو در زمینه موتور حرارتی از سال ۱۸۲۴، باعث شد که ژول، که در خارج از دانشگاه یا صنعت مهندسی فعالیت می‌کرد، با مشکلاتی مواجه شود. حامیان تئوری کالری به راحتی توجیه کننده تقارن اثر پلتیه-زیبک را ارائه کردند تا بتوانند بر این اساس ادعا کنند که گرما و جریان در یک فرآیند، حداقل تقریباً، قابل برگشتند. 

معادل مکانیکی گرما

جیمز ژول با تحقیقات و آزمایش‌های بیشتری با موتور الکتریکی خود، تخمینی دقیق‌تر از معادل مکانیکی گرما را محاسبه کرد. او به این نتیجه رسید که معادل مکانیکی گرما، ۴.۱۸۶۸ ژول در هر کالری است. این به این معناست که با استفاده از نیروهای مکانیکی، می‌توان به تولید گرما از انرژی مکانیکی پرداخت.

در اوت ۱۸۴۳، ژول نتایج خود را دربارهٔ معادل مکانیکی گرما به انجمن شیمی بریتانیا ارائه کرد، اما مواجه به سکوتی از سوی جامعه علمی شد. با این حال، ژول ناامید نشد و برای اثبات نظریه‌های خود به دنبال تجربیات جدیدی بود. او به دنبال یافتن یک روش کاملاً مکانیکی برای نمایش تبدیل کار به گرما بود.

او آزمایشی انجام داد که در آن آب به داخل یک سیلندر با سوراخ وارد می‌شد و از طریق افزایش فشار، گرمایش چسبناک سیال را اندازه‌گیری می‌کرد. با این آزمایش، او به معادل مکانیکی نیروی ۷۷۰ فوت-پوندی در هر واحد حرارتی بریتانیا (۴۱۴۰ جول بر کالری) رسید.

ژول سپس به دنبال آزمایش‌های دیگری بود. در یک آزمایش دیگر، او با افزایش فشار گاز، تغییرات حرارتی را اندازه‌گیری کرد. او به معادل مکانیکی نیروی ۷۹۸ فوت-پوندی در هر واحد حرارتی بریتانیا (۴۲۹۰ جول بر کالری) دست یافت. این آزمایش، علی‌رغم سادگی آن، تا حد زیادی از جانب منتقدان ژول مورد انتقاد قرار گرفت. اما ژول با آگاهی از تناقض‌ها و پیش‌بینی‌های منتقدان، توانست مطالبه‌ها و ادعاهای خود را تایید کند.

موتور الکتریکی جیمز ژول

در ۲۰ ژوئن ۱۸۴۴، ژول مقاله‌ای دربارهٔ معادل مکانیکی گرما در انجمن سلطنتی بریتانیا ارائه داد. اما این مقاله برای انتشار توسط انجمن رد شد و ژول مجبور به انتشار آن در مجله‌ای دیگر بود. در این مقاله، ژول به موفقیت‌های خود در تجربیات و آزمایش‌هایی که انجام داد، پرداخت و توضیح داد که نیروهای مکانیکی می‌توانند به طور دقیق تبدیل به گرما شوند.

ژول در سال ۱۸۴۵، مقاله‌ای را که توضیحی از آزمایش‌های خود در مورد معادل مکانیکی گرما بود، منتشر کرد. او به این نتیجه رسید که معادل مکانیکی نیروهای ۸۱۹ فوت-پوندی در هر واحد حرارتی بریتانیا (۴۴۰۴ جول بر کالری) است. این تخمین نزدیک به تخمین‌های قرن بیستم بود و موفقیت‌های جدید او را تأیید کرد.

تحقیقات و تلاش‌های طولانی‌تر ژول در زمینه معادل مکانیکی گرما، نه تنها به شناخت بهتر انرژی و تبدیل‌پذیری‌های مختلف آن منجر شد، بلکه نقد و انتقاد نسبت به نظریات آن زمان را هم به ژول وارد کرد.

پذیرش و اولویت های جیمز ژول

مقاومت اصلی در مسیر توسعه دستگاه ژول به اندازه‌گیری دقیق دما ناشی از وابستگی آن به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق بود. ژول به موفقیت در اندازه‌گیری دما تا 1/200 درجه فارنهایت (3 میلی‌کلوین) ادعا کرد. این دقت در آزمایش‌های فیزیک تجربی آن زمان به شدت منحصر به فرد بود. این مهارت‌های دقیق ژول ممکن است از تجربه‌های او در هنر آبجوسازی و دسترسی به فناوری‌های عملی آن ناشی شده باشد. او همچنین توسط همکار علمی‌اش، جان بنجامین، رقصنده، پشتیبانی شد. آزمایش‌های انجام شده توسط ژول، نتایج نظریه رودولف کلازیوس را تکمیل کرد که برخی او را مبدع مفهوم انرژی می‌دانند.

اختراعات جیمز ژول

ژول نظریه‌ای جنبشی برای توضیح گرما ارائه داد. او معتقد بود که گرما به شکلی از انرژی جنبشی چرخشی تبدیل می‌شود، نه به شکل انتقالی. این نظریه نیازمند یک تغییر مفهومی بود: اگر گرما معادل حرکت مولکولی است، پس چرا حرکت مولکول‌ها به تدریج کاهش پیدا نمی‌کند؟ ایده‌های ژول به باور او نیازمند برخورد کاملاً کشسان مولکول‌ها بود. این مهم است که تا آن زمان، وجود اتم‌ها و مولکول‌ها توسط جامعه علمی به طور گسترده پذیرفته نشده بود.

دستاوردهای جیمز ژول

اگرچه امروزه ممکن است درک نظریه کالری به چالش کشیده شود، اما در آن زمان به نظر می‌رسید که مزایای آشکاری داشته باشد. نظریه موفقیت‌آمیز کارنو درباره موتورهای حرارتی نیز بر اساس فرضیه کالری ساخته شده بود، و تنها بعداً لرد کلوین ثابت کرد که ریاضیات کارنو بدون نیاز به فرضیه سیال کالری نیز صحیح هستند.

با این حال، در آلمان، هرمان هلمهولتز هم از کار ژول و هم از کارهای مشابه جولیوس روبرت فون مایر در سال ۱۸۴۲ آگاه شد. اگرچه این دو پژوهشگر از زمان انتشار مقالات خود مورد بی توجهی قرار گرفته بودند ، اعلامیه قاطع هلمهولتز در سال ۱۸۴۷ مبنی بر بقای انرژی، هر دو پژوهشگر را به عنوان مبتکران این نظریه تأیید کرد.

همچنین در سال ۱۸۴۷، ژول در یکی از سخنرانی‌های خود در انجمن بریتانیا در آکسفورد با حضور اساتیدی چون جورج گابریل استوکس، مایکل فارادی، و ویلیام تامسون (لرد کلوین در آینده) شرکت کرد. این جلسه به تازگی برای تامسون به عنوان استاد فلسفه طبیعی در دانشگاه تعیین شده بود. استوکس مخالفتی با نظریه ژول نداشت و فارادی نیز تحت تأثیر آن بود، اگرچه تردید داشت. تامسون کنجکاو بود اما به طور کلی بدبین بود.

در اواخر همان سال، تامسون و ژول به طور تصادفی در شامونیکس آشنا شدند. در تاریخ ۱۸ آگوست، ژول با آملیا گرایمز ازدواج کرد و آن دو به ماه عسل رفتند. با وجود شور و شوق زناشویی، آن دو برنامه‌ریزی کردند که چند روز بعد آزمایشی برای اندازه‌گیری اختلاف دما بین بالا و پایین آبشار "کاسکید دو سالانچ" انجام دهند، اگرچه این طرح در نهایت اجرا نشد.

دستگاه حرارتی ژول

اگرچه تامسون احساس کرد که نتایج ژول نیازمند توضیح نظریه هستند، اما او به دفاع مخلصانه از نظریه کارنو-کلوپیرون عقب‌نشینی کرد. در گزارش ۱۸۴۸ خود در مورد دمای مطلق، تامسون نوشت که "تبدیل گرما (یا کالری) به انرژی مکانیکی احتمالاً غیرممکن است و بدون شک کشف نشده است"، اما یک پاورقی به این موضوع اشاره می‌کرد که نخستین تردید او نسبت به نظریه کالری بود و به "کشفات بسیار قابل‌توجه ژول" اشاره داشت. این موضوع تامسون را به طرح نسخه‌ای از مقاله خود به ژول ترغیب کرد، اما زمانی که ژول این نسخه را در نهایت خواند، در تاریخ ۶ اکتبر به تامسون نامه‌ای نوشت که مطالعات او نشان می‌دهد گرما به انرژی کار تبدیل می‌شود، اما او همچنان در حال برنامه‌ریزی برای آزمایش‌های بیشتری است.

تامسون در تاریخ ۲۷ اکتبر پاسخی داد و اعلام کرد که در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌های خود است و امیدوار است تا به توافقی میان دو دیدگاه برسند. اگرچه تامسون هیچ آزمایش جدیدی انجام نداد، اما طی دو سال بعد به تدریج از نظریه کالری ناراضی شد و به نظریه ژول متمایل شد. تامسون در مقاله خود در سال ۱۸۵۱ اظهار داشت که مایل به فراتر از سازش با دیدگاه کالری می‌باشد و اعلام کرد: "تمام نظریه نیروی محرکه گرما بر دو گزاره استوار است."

هنگامی که ژول مقاله تامسون را مطالعه کرد، با نظرات و سوالات خود به او نامه‌ای نوشت. از این زمان، همکاری مؤثری بین این دو پژوهشگر آغاز شد.

نظریه جنبشی و دستاوردهای ژول

نظریه جنبشی به عنوان علمی درباره حرکت مورد مطالعه قرار می‌گیرد. ژول، که شاگرد دالتون بود، با توجه به آموخته‌های اتمی خود اعتقاد قوی به نظریه اتمی داشت. این امر قابل توجه است، زیرا در زمان وی، بسیاری از دانشمندان هنوز به وجود اتم‌ها شک داشتند. او همچنین از جمله اندکی از افرادی بود که به نظریه جنبشی گازها ارائه داده شده توسط جان هراپات توجه کرد. او به شدت تحت تأثیر مقاله پیتر اوارت به نام "درباره اندازه‌گیری نیروی متحرک" افتاد.

اکتشافات علمی جیمز ژول

افتخارات و تقدیرهای ژول

عضویت در انجمن سلطنتی (1850)

دریافت مدال سلطنتی (1852) به خاطر مقاله‌ای که درباره معادل مکانیکی گرما نوشته و در معاملات فلسفی منتشر کرد.

دریافت مدال کوپلی (1870) به خاطر تحقیقات تجربی در زمینه نظریه دینامیکی گرما.

رئیسی انجمن ادبی و فلسفی منچستر در سال 1860.

رئیسی انجمن پیشرفت علم در بریتانیا در سال‌های 1872 و 1887.

عضویت افتخاری در موسسه مهندسین و کشتی‌سازان در اسکاتلند (1857).

دریافت مدارک افتخاری LL.D. از کالج ترینیتی، دوبلین (1857)، DCL از دانشگاه آکسفورد (1860) و LL.D. از دانشگاه ادینبورگ (1871).

دریافت جایزه سالانه 200 پوند از سازمان علمی به خاطر خدمات علمی (1878).

دریافت مدال آلبرت از انجمن سلطنتی هنر در سال 1880 به دلیل ایجاد رابطه بین گرما، الکتریسیته و مکانیک.

وجود یادبودی برای ژول در راهروی گروه کر شمالی کلیسای وست‌مینستر.

نظریه جیمز ژول

مجسمه‌ی ژول اثر آلفرد گیلبرت در تالار شهر منچستر، کنار مجسمه‌ی دالتون، قرار دارد.

سنگ قبر ژول در گورستان بروکلندز

 

سنگ قبر ژول در گورستان بروکلندز نیز نشان‌دهنده‌ی اندازه‌گیری او از معادل مکانیکی گرما در سال 1878 است.

نقل قولی از انجیل یوحنا نیز روی سنگ قبر ژول ثبت شده است.

ژول با دستاوردهای بزرگ خود در زمینه فیزیک و علوم حرارتی، به‌عنوان یکی از علمای برجسته و مؤثر در تاریخ علم شناخته شده است و تقدیرهای متعددی از جامعه‌ی علمی جهان دریافت کرده است.

ژول رابطه میان اکتشافات خود و نظریه جنبشی گرما را درک کرد. دفترچه‌های آزمایشگاهی او نشان می‌دهد که او باور داشت گرما نوعی حرکت چرخشی است، نه حرکت انتقالی.

با این حال، ژول نتوانست در مقابل دیدگاه‌هایی که از سوی دیگر دانشمندان همچون فرانسیس بیکن، ایزاک نیوتن، جان لاک، بنجامین تامپسون (کنت رامفورد) و همفری دیوی مطرح می‌شد، مقاومت نماید.

اگرچه این دیدگاه‌ها دارای اساس منطقی بودند، ژول با تخمین‌زدن به مقدار معادل مکانیکی گرما در انتشارات کنت رامفورد پیش رفت. برخی از نویسندگان مدرن این رویکرد را به این دلیل انتقاد کرده‌اند که آزمایش‌های رامفورد به طور کاملاً نظام‌مند انجام نشده‌اند. ژول در یادداشت‌های شخصی‌اش ادعا کرد که اندازه‌گیری‌های مایر نیز دقیق‌تر از اندازه‌گیری‌های رامفورد نبوده است، این امر ممکن است به این دلیل باشد که مایر کار خود را به خوبی پیش‌بینی نکرده بود.

ژول در یک نامه به انجمن ادبی و فلسفی منچستر در سال ۱۸۶۹ به توضیح پدیده "فلش سبز" غروب خورشید اشاره کرده است. در واقع، او با طرحی ساده، آخرین نگاه خود به این پدیده را ارائه داد. او به نمایش رنگ سبز مایل به آبی در این نوع پدیده اشاره کرد، اما تلاشی برای توضیح دقیق علت این پدیده نداشت.

سوالات متداول درباره جیمز پرسکات ژول

 جیمز ژول چه کسی بود؟

جیمز پرسکات ژول (1818 - 1889) یک فیزیک‌دان بریتانیایی بود که به عنوان یکی از پیشوایان در زمینه مطالعه انرژی و گرما به شناخته شده است. او به بررسی مفاهیم مرتبط با انرژی حرکتی و انتقال حرارت مشهور بود.

 اختراع‌های مهم ژول چه هستند؟

یکی از اختراع‌های مهم ژول، دستگاه اندازه‌گیری معادل مکانیکی گرما به نام "دستگاه ژول" است. این دستگاه او را قادر ساخت تا انرژی حرکتی و گرمایی را به یکدیگر تبدیل کند و اندازه‌گیری‌های دقیق در این زمینه انجام دهد.

 ژول چه نقشی در توسعه نظریه جنبشی انرژی ایفا کرد؟

جیمز پرسکات ژول به توسعه نظریه جنبشی انرژی بسیار کمک کرد. او ایده‌هایی ارائه داد که مبنای اصول حفظ انرژی و تبدیلات میان انواع انرژی را شکل دادند.

ژول چه موفقیت‌هایی در عرصه علمی داشت؟

ژول علاوه بر ابداع دستگاه ژول، مدال‌ها و افتخارات علمی زیادی به دست آورد. او عضو انجمن سلطنتی بود، مقالات معتبری در زمینه انرژی و گرما منتشر کرد و عضویت افتخاری در موسسات علمی را دریافت کرد.

 ژول چگونه به عنوان پیشوای انرژی شناخته می‌شود؟

جیمز پرسکات ژول به علت تلاش‌های فراوانش در زمینه مطالعه انرژی، به عنوان پیشوای انرژی و گرما شناخته می‌شود. او در توسعه نظریه‌های مهمی که اساس اصول فیزیک مدرن را تشکیل می‌دهند، نقش بزرگی داشت. 

سخن پایانی مقاله ی جیمز پرسکات ژول

به عنوان پایان مقاله در مورد "جیمز پرسکات ژول"، این نکته مهم را بیان می‌کنیم که ورودی‌ها، اکتشافات و افتخارات این عالم برجسته در علم فیزیک، به ارزشمندی‌هایی تبدیل شده‌اند که به افزایش دانش و فهم ما از دنیای اطرافمان کمک کرده‌اند. ارثی که جیمز پرسکات ژول برای علم جهانی جا گذاشته، به عنوان یک الگوی تحقیقاتی و پیشرو در زمینه‌های مختلف علمی از جمله انرژی و گرما، همچنان تأثیرگذاری خود را ادامه می‌دهد. او برای نسل‌های آینده یک نمونه الهام‌بخش از پشتوانه دانش و کشف‌های علمی خواهد بود.

  گرد آوری:بخش علمی بیتوته