العالم جيمس جول هو عالم فيزياء إنجليزي مشهور، اشتهر بقدرته على التعلم الذاتي خارج المؤسسات الأكاديمية التقليدية. طوال حياته، لم يشغل أي منصب أكاديمي رسمي.
تمكن جول من إثبات موهبته من خلال استغلال ذكائه وشغفه بالعلم، مما سمح له بالوصول إلى المفهوم الأساسي للمعادل الميكانيكي الحراري.
العالم جيمس جول
- ولد جيمس جول في سالفورد، إنجلترا، في 24 ديسمبر 1818.
- جول هو عالم فيزياء بارز أثبت أن أشكال الطاقة المختلفة، بما في ذلك الطاقة الكهربائية والحرارية والميكانيكية، هي في الأساس نفسها ويمكن تحويلها من شكل إلى آخر.
- كان والد جيمس صانع جعة، بينما كانت والدته تعرف باسم أليس بريسكوت، ونشأ في عائلة مهتمة بأشياء أخرى غير العلوم.
التعليم في حياة جيمس جول
- لم يتلق جولز تعليمًا أكاديميًا تقليديًا، إذ كان يدرس في المنزل بسبب حالته الصحية.
- تعلم الحساب والهندسة في زمن جون دالتون من خلال جمعية مانشستر الأدبية والفلسفية.
- كما درس على يد العالم الشهير جون ديفيز.
- في سن الخامسة عشرة، بدأ جولز العمل في مصنع الجعة الخاص بوالده، لكنه استمر في متابعة اهتماماته العلمية خلال تلك الفترة.
- لقد استمتع بالجوانب التجريبية للكهرباء ودرس طبيعة الحرارة، وأسس علاقتها بالعمل الميكانيكي.
- وضع جول أسس نظرية حفظ الطاقة، والتي أثرت في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- كما قام بصياغة قانون جول الذي يتعامل مع نقل الطاقة.
- في عام 1838، نشر أول مقال علمي له عن الكهرباء في مجلة أسسها ستورجيون.
- ويعتبر جول أحد أعظم علماء الفيزياء في عصره، وتميز بأبحاثه في مجالات الديناميكا الحرارية والكهرباء.
- واستطاع أن يحدد العلاقة بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية، بحيث تكون الحرارة قادرة على التحويل الميكانيكي.
- وبالتعاون مع الفيزيائي ويليام طومسون، توصل جول إلى قانون الحفاظ على الطاقة من خلال طرق مختلفة.
- توفي جول في 11 أكتوبر 1889 عن عمر يناهز السبعين عامًا، بعد صراع مع المرض في مانشستر الكبرى بإنجلترا.
إنجازات جيمس جول
قام جيمس جول بالعديد من الاكتشافات المهمة، أبرزها ما يلي:
- كانت إحدى تجاربه الرائدة مع المحركات الكهربائية، حيث سعى إلى تحويل المحركات البخارية في مصنع الجعة إلى محركات كهربائية.
- وخلال تلك التجربة اكتشف “قانون جول” عام 1840.
- ساهم بشكل كبير في إقامة علاقة بين تدفق التيار والمقاومة والحرارة الناتجة.
- ينص قانون جول على أن كمية الحرارة المتولدة في الثانية في سلك يمر به تيار تتناسب مع مربع التيار والمقاومة الكهربائية للسلك.
- أجرى جول العديد من التجارب باستخدام مضرب المسعر.
- في عام 1843، أعلن جول عن تصميمه من حيث الشغل المطلوب لإنتاج وحدة للحرارة، محددًا المعادل الميكانيكي للحرارة.
- ووصف نتائج تجاربه بشكل شامل في مقالته الشهيرة التي نشرت في نفس العام.
- لقد أثبت أن الشغل الميكانيكي والحرارة شكلان مهمان من أشكال الطاقة، وأصبحت جهوده أساسية في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- طور اللورد كلفن مقياس درجة الحرارة المطلقة.
- وفي عام 1852، اكتشفوا تأثير جول طومسون، الذي يوضح أنه عندما يتمدد الغاز دون بذل شغل، يمكن أن تنخفض درجة حرارته، وقد استخدم هذا المفهوم في التبريد.
الصيغة الرياضية لقانون جول
نقدم هنا الصيغة الرياضية لقانون جول باللغتين الإنجليزية والعربية:
- وينص قانون جول على أن “الطاقة الحرارية المنتجة في المقاومة نتيجة مرور تيار كهربائي تتناسب طرديا مع القوة الكهربائية والفترة الزمنية التي يمر خلالها التيار”.
- الطاقة الحرارية بالجول = مربع شدة التيار × المقاومة × زمن مرور التيار.
- ويمكن التعبير عنها بالرموز على النحو التالي: T h = T² xmx g.
أين:
- T h : يتم التعبير عن الطاقة الحرارية بالجول.
- T: يتم تمثيل شدة التيار الكهربائي بالأمبير، وهو ما يتناسب طرديا مع كمية الطاقة.
- M: تشير إلى المقاومة الكهربائية للموصل بالأوم، وتتناسب طردياً مع كمية الطاقة.
- G: يمثل الزمن بالثواني، ويتناسب طردياً مع كمية الطاقة.
الصيغة الرياضية لقانون جول باللغة الإنجليزية
- H (الحرارة) = I^2 (التيار التربيعي) × R (المقاومة) × T (الوقت المسموح بتدفق التيار).
- ويتم التعبير عنها بالرموز بالصيغة “Qh = I² × R × t”.
أين:
- Qh: يمثل كمية الطاقة الحرارية بالجول.
- I: يدل على شدة التيار الكهربائي بالأمبير.
- R: يتم التعبير عن المقاومة الكهربائية بالأوم.
- T: يعبر عن الوقت بالثواني.