James Prescott Joule — englantilainen fyysikko ja Joule‑yksikön kehittäjä
James Prescott Joule — englantilainen fyysikko, Joulen lain ja joule‑yksikön kehittäjä; lue hänen panoksestaan sähkön, termodynamiikan ja Joule‑Thomson‑ilmiön ymmärrykseen.
James Prescott Joule (24. joulukuuta 1818 – 11. lokakuuta 1889) oli englantilainen fyysikko, joka syntyi Salfordissa, Manchesterin lähellä. Hän kuului panimoyrittäjäperheeseen ja teki suurimman osan tutkimuksistaan omassa työpajassaan ja perheen panimon tiloissa. Joulella oli merkittävä vaikutus sähkön ja termodynamiikan kehitykseen, ja hänen työnsä auttoi vakiinnuttamaan energian säilymisen periaatteen.
Keskeiset tutkimukset ja löydökset
Joulta muistetaan erityisesti useista perusluonteisista kokeista ja laeista, jotka selittivät lämmön ja työn välisiä yhteyksiä.
- Joulen laki: Hän tutki sähkölämmitystä ja esitti lain, jonka mukaan johtimessa tietyn ajan kuluessa syntyvä lämpö on verrannollinen johtimen resistanssiin ja virran neliöön. Tämä ilmiö tunnetaan yleisesti Joulen lakina (sähkölämmitys), ja sen yksikkö on joule energian mittana. Lain matemaattinen muoto ilmaisee lämmön Q riippuvuuden resistanssista R, virrasta I ja ajasta t: Q ∝ R I² t.
- Mekaanisen työn ja lämmön vastaavuus: Joule suoritti tarkkoja kokeita, joissa hän mittasi mekaanisen työn muuntumista lämmöksi. Tunnetuin koe oli paddlekone-kokeilu, jossa mekaaninen sekoitus nosti veden lämpötilaa; näin osoitettiin, että työmäärä on suhteessa syntyneeseen lämmön määrään. Nämä havainnot antoivat konkreettisen arvion mekaaniselle vastaavuudelle ja tukivat energian säilymisen ajatusta.
- Joule–Thomson-ilmiö: Myöhemmin Joule yhdessä William Thomsonin kanssa tutki kaasujen laajenemista ja havaitsi, että riittävän matalissa lämpötiloissa kaasun adiaabaattinen laajeneminen voi aiheuttaa lämpötilan laskun. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Joule–Thomson-ilmiö ja se on perustavanlaatuinen kaasujen jäähdytyksessä ja kaasujen nesteyttämistekniikoissa. Ilmiössä on myös niin sanottu kääntölämpötila (inversion temperature), jonka yläpuolella kaasu laajetessaan lämpenee eikä jäähdy.
Vaikutus termodynamiikkaan ja energian käsitteeseen
Joulen kokeet auttoivat varmistamaan, että lämpö on muoto energiaa ja että energiaa voidaan muuntaa muodosta toiseen säilyttäen kokonaismäärän. Hänen työnsä yhdistettynä muiden tutkijoiden (esimerkiksi Sadi Carnot’n, Rudolf Clausius’n ja myöhemmin James Clerk Maxwellin ja William Thomsonin) kanssa edisti termodynamiikan teorian syntyä ja ensimmäisen pääsäännön (energian säilyminen) vakiintumista fysiikan periaatteeksi.
Tekniikka ja käytännön merkitys
Joulen löydöt ovat käytännöllisesti tärkeitä monilla aloilla: sähkölämmityksen ja sähkövastusten toiminta perustuu Joulen lainsäädäntöön, ja Joule–Thomson-ilmiötä hyödynnetään teollisessa jäähdytyksessä ja kaasujen nesteytyksessä. Lisäksi yksikkö joule on nykyään keskeinen SI-järjestelmän energia- ja työn yksikkö (1 J = 1 N·m = 1 W·s, eli yksi wattisekunti), joka kantaa hänen nimeään.
Elämäntyö ja perintö
Joule oli tunnustettu tutkija jo omana aikanaan: hän teki laajasti kokeellista työtä, julkaisi tuloksia ja kävi vilkasta tieteellistä keskustelua aikalaisiensa kanssa. Hänen selkeät, toistettavat kokeensa ja tarkka mittaustekniikkansa toimivat esimerkkinä myöhemmille kokeellisille fysikaalisille tutkimuksille. Nimi "joule" muistuttaa edelleen hänen panoksestaan fysiikan perusteisiin.
Yhteenveto: James Prescott Joule oli keskeinen hahmo lämpöopin ja sähköilmiöiden ymmärtämisessä. Hänen kokeensa sähköisen lämmityksen mekanismeista, mekaanisen työn ja lämmön vastaavuudesta sekä yhdessä William Thomsonin kanssa tehdyistä kaasujen laajenemiskokeista ovat muovanneet modernia fysiikkaa ja tekniikkaa.
Varhainen elämä
James Prescott Joule syntyi varakkaan panimon Benjamin Joulen (1784-1858) poikana Joulen panimon viereisessä talossa New Bailey Streetillä Salfordissa 24. joulukuuta 1818. James Joule sai opetusta perheen kotitalossa Broomhillissa, Pendleburyssa, Salfordin lähellä, vuoteen 1834 asti, jolloin hänet lähetettiin vanhemman veljensä Benjaminin kanssa opiskelemaan John Daltonin johdolla Manchesterin kirjallisuuden ja filosofian seuraan. He saivat vain kaksi vuotta opetusta aritmetiikassa ja geometriassa, ennen kuin Dalton joutui jäämään eläkkeelle aivohalvauksen vuoksi.
Joulen kuva vuodelta 1892
Kineettinen teoria
Kinetiikka on liikkeen tiedettä. Joule oli Daltonin oppilas, eikä ole yllättävää, että hän oli oppinut uskomaan vakaasti atomiteoriaan, vaikka monet hänen aikansa tiedemiehet suhtautuivat siihen vielä epäilevästi. Hän oli myös ollut yksi niistä harvoista, jotka suhtautuivat myönteisesti John Herapathin työhön kaasujen kineettisestä teoriasta. Lisäksi häneen vaikutti suuresti Peter Ewartin vuonna 1813 ilmestynyt artikkeli On the measure of moving force.
James Prescott Joule
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Kuka oli James Prescott Joule?
V: James Prescott Joule oli englantilainen fyysikko, joka syntyi Manchesterin lähellä.
K: Mikä oli James Prescott Joulen panos sähkön maailmaan?
V: James Prescott Joule tunnetaan parhaiten sähkölämmitystä kuvaavan Joulen lain keksimisestä.
K: Mitä Joulen laissa sanotaan?
V: Joulen lain mukaan sähkövirran johtimessa sekunnissa tuottama lämpömäärä on verrannollinen johtimen resistanssiin ja virran neliöön.
K: Mikä on Joulen lain yksikkö?
V: Joulen lain yksikkö on joule, joka vastaa yhtä wattisekuntia.
K: Kenen kanssa James Prescott Joule työskenteli löytääkseen Joule-Thomson-ilmiön?
V: James Prescott Joule työskenteli William Thomsonin kanssa Joule-Thomson-ilmiön löytämiseksi.
K: Mikä on Joule-Thomson-ilmiö?
V: Joule-Thomson-ilmiö on periaate, jonka mukaan kaasun lämpötila laskee kaasun laajentuessa.
Kysymys: Milloin James Prescott Joule eli ja milloin hän kuoli?
V: James Prescott Joule syntyi 24. joulukuuta 1818 ja kuoli 11. lokakuuta 1889.
Etsiä