James Prescott Joule
Obsah boxu
James Prescott Joule (* 24. prosince 1818, Salford – † 11. října 1889, Sale) byl anglický fyzik a pivovarník, jehož práce zásadně přispěla k pochopení podstaty tepla a jeho vztahu k mechanické práci. Jeho precizní experimenty položily základy pro první zákon termodynamiky, tedy zákon zachování energie. Na jeho počest je pojmenována základní jednotka energie, práce a tepla v soustavě SI – joule.
Joule byl původně samouk a vědě se věnoval ve svém volném čase, přičemž využíval prostředky z rodinného pivovaru. Jeho počáteční skepse ze strany vědecké komunity byla překonána díky přesnosti a opakovatelnosti jeho experimentů. Jeho spolupráce s Williamem Thomsonem (pozdějším lordem Kelvinem) vedla k dalším významným objevům v oblasti termodynamiky, včetně objevu Jouleova-Thomsonova jevu.
📜 Život a vzdělání
James Prescott Joule se narodil v Salfordu nedaleko Manchesteru do bohaté rodiny Benjamina Joulea, majitele prosperujícího pivovaru Joule's Brewery. V mládí měl křehké zdraví, a proto se mu dostalo převážně domácího vzdělání.
Klíčovým momentem v jeho životě bylo, když ho a jeho bratra v letech 1834–1837 soukromě vyučoval slavný chemik a fyzik John Dalton. Dalton, autor moderní atomové teorie, vštípil Jouleovi hluboký smysl pro přesné měření a experimentální přístup, což se stalo charakteristickým znakem celé jeho vědecké kariéry.
Po ukončení studií se Joule zapojil do vedení rodinného pivovaru. Věda pro něj byla zpočátku koníčkem. Zajímal se o možnosti nahrazení parních strojů v pivovaru nově objevenými elektromotory. Právě tyto rané experimenty s elektřinou a magnetismem ho přivedly k jeho prvním významným objevům.
🔬 Vědecká kariéra a objevy
Jouleova vědecká práce byla systematická a zaměřená na kvantitativní vztahy mezi různými formami energie.
⚡ Jouleův zákon
Kolem roku 1840 začal Joule zkoumat teplo, které vzniká průchodem elektrického proudu vodičem. Na základě série pečlivých měření formuloval zákon, dnes známý jako Jouleův zákon (někdy též Jouleův-Lenzův zákon). Tento zákon uvádí, že teplo (Q) vyzářené vodičem je přímo úměrné druhé mocnině proudu (I), odporu vodiče (R) a času (t), po který proud prochází.
Matematicky vyjádřeno:
- Q = I² ⋅ R ⋅ t
Tento objev byl prvním krokem k pochopení, že elektřina může být přeměněna na teplo kvantifikovatelným způsobem. Tento princip je dnes základem fungování mnoha zařízení, jako jsou rychlovarné konvice, elektrické topení nebo žárovky.
⚙️ Mechanický ekvivalent tepla
Jouleův nejznámější a nejdůležitější experiment se týkal stanovení vztahu mezi mechanickou prací a teplem. V té době převládala kalorická teorie, která považovala teplo za nehmotnou tekutinu zvanou "kalorikum". Joule byl přesvědčen, že teplo je formou energie spojenou s pohybem částic.
Pro ověření své hypotézy sestrojil aparaturu, kde závaží klesající působením gravitace roztáčelo lopatkové kolo ponořené v izolované nádobě s vodou. Tření lopatek ohřívalo vodu. Joule pečlivě měřil vykonanou mechanickou práci (danou hmotností závaží a výškou, ze které kleslo) a odpovídající zvýšení teploty vody.
Po mnoha opakováních experimentu (použil i jiné tekutiny jako rtuť a olej) dospěl k závěru, že k ohřátí jedné libry vody o jeden stupeň Fahrenheita je zapotřebí vykonat práci přibližně 772 stopo-liber. V moderních jednotkách jeho výsledek odpovídá hodnotě přibližně 4,16 J/cal, což je velmi blízko dnes přijímané hodnotě 4,186 J/cal.
Tímto experimentem definitivně prokázal, že:
- Teplo je forma energie.
- Mechanická práce se může přímo přeměnit na teplo.
- Tento vztah (mechanický ekvivalent tepla) je konstantní a měřitelný.
Jeho zjištění, prezentovaná poprvé v roce 1843, se zpočátku setkala s nedůvěrou. Vědecká komunita, včetně Královské společnosti, byla skeptická. Průlom nastal v roce 1847, kdy jeho přednášku v Oxfordu vyslechl mladý a vlivný fyzik William Thomson (lord Kelvin), který rozpoznal hluboký význam Jouleovy práce.
🌡️ První zákon termodynamiky
Jouleovy experimenty poskytly klíčový experimentální důkaz pro zákon zachování energie, který nezávisle na něm teoreticky formulovali Julius Robert von Mayer a Hermann von Helmholtz. Joule ukázal, že energie se neztrácí, ale pouze mění svou formu (v jeho případě z potenciální energie závaží na kinetickou energii lopatek a nakonec na vnitřní (tepelnou) energii vody). Tento princip je dnes znám jako první zákon termodynamiky.
💨 Jouleův-Thomsonův jev
Spolupráce s Williamem Thomsonem v 50. letech 19. století vedla k dalšímu významnému objevu. Zjistili, že když je plyn nucen proudit skrze porézní přepážku (např. vatu) do prostoru s nižším tlakem, jeho teplota se obvykle změní. Většina plynů se při tomto procesu, zvaném adiabatická expanze, ochlazuje.
Tento Jouleův-Thomsonův jev se stal základem pro moderní techniky zkapalňování plynů a je klíčovým principem fungování chladniček a klimatizací.
🏆 Ocenění a odkaz
Přestože byl zpočátku přehlížen, přesnost a důležitost jeho práce mu nakonec zajistily uznání. V roce 1850 byl zvolen členem Královské společnosti a v roce 1852 obdržel její prestižní Royal Medal. V roce 1870 mu byla udělena nejvyšší pocta společnosti, Copleyho medaile.
Odkaz Jamese Prescotta Joulea je nesmírný:
- **Jednotka energie:** Na jeho počest byla jednotka energie v soustavě SI pojmenována joule.
- **Zákon zachování energie:** Poskytl nezvratný experimentální důkaz pro jeden z nejzákladnějších principů fyziky.
- **Termodynamika:** Jeho práce položila základy pro rozvoj termodynamiky jako vědní disciplíny.
- **Experimentální metoda:** Jeho důraz na preciznost a eliminaci chyb stanovil nový standard v experimentální fyzice.
Joule zemřel v roce 1889 ve městě Sale a je pohřben na hřbitově v Brooklands. Na jeho náhrobku je vytesána hodnota mechanického ekvivalentu tepla, kterou v roce 1878 určil: 772,55.
🤔 Pro laiky
Některé Jouleovy objevy mohou znít složitě, ale jejich principy používáme každý den.
- Co je mechanický ekvivalent tepla?
Představte si, že si rychle třete ruce o sebe. Vykonáváte práci (pohyb) a vaše ruce se zahřívají. Joule jako první na světě přesně změřil, kolik práce (tření) je potřeba k vytvoření určitého množství tepla. Dokázal tak, že teplo není nějaká záhadná "tekutina", jak si lidé mysleli, ale prostě jen jiná forma energie, stejně jako pohyb.
- Co je Jouleův zákon?
Když zapnete rychlovarnou konvici, elektrický proud prochází topnou spirálou a ta se rozžhaví. Jouleův zákon přesně popisuje, kolik tepla se vytvoří. Říká, že čím silnější proud nebo čím větší odpor spirály, tím více tepla vznikne. Na tomto jednoduchém principu funguje toustovač, fén, elektrické topení a mnoho dalších spotřebičů.
- Proč je jeho práce tak důležitá?
Joule pomohl objevit jedno z nejdůležitějších pravidel vesmíru: energii nelze vytvořit ani zničit, pouze ji lze přeměnit z jedné formy na druhou. Například v elektrárně se chemická energie uhlí mění na teplo, teplo na pohyb turbíny a pohyb na elektrickou energii. Ta se pak u vás doma v žárovce změní na světlo a teplo. Tento princip – zákon zachování energie – je základem téměř veškeré moderní vědy a techniky.