James Prescott Joule

Filo de riĉa bierfaristo, Benjamin Joule (1784–1858), kaj de lia edzino, Alice Prescott, ĉe New Bailey Street en Salford.^[1] Joule instruiĝis kiel juna knabo de fama sciencisto John Dalton kaj multe influiĝis de ĥemiisto William Henry kaj la Manĉestro-devenaj inĝenieroj Peter Ewart kaj Eaton Hodgkinson. Lin fascinis elektro, kaj li kaj lia frato esploris la temon donante elektrajn ŝokojn unu al la alia, kaj al la servistoj de la familio.

Kiel plenkreskulo, Joule estris la bierfarejon. Scienco estis por li nur serioza ŝatokupo. Dum iu jaro proksime al 1840, li komencis esplori la eblecon anstataŭigi la vapor-motoron de la bierfarejo per la nove inventita elektra motoro. Lian unuan sciencan raporton pri la temo li kontribuis al la ĵurnalo Annals of Electricity (Kroniko pri Elektro) de William Sturgeon.

Instigita parte de lia deziro kiel negocisto mezuri la ekonomiajn efikojn de la elektro, kaj parte de lia scienca enketemo, li ekklopodis determini, kiu el la du potencoformoj estis la plej efika. Li malkovris la principon, kiun oni nun nomas la unuan leĝon de Joule, en 1841. Laŭ ĝi, la varmo kiu evoluiĝas de la ĝusta agado de iu auj volta fluo proporciiĝas laŭ la kvadrato de la forto de tiu fluo, multobligita per la rezistemo al la termika konduktivo, kiun ĝi spertas.^[2] Li sekve konstatis, ke la bruligo de funto da karbo en vapor-motoro estis laŭkoste pli efika, ol funto da zinko en elektra baterio. Joule mezuris la povon de ambaŭ rimedoj laŭ unu normo: la kapablo levi unu-funtan ŝarĝon al alteco de unu futo, la fut-pundo.

Tamen, la intereso de Joule devojiĝis de la malvasta financa demando, al tiu de kiom da laboro oni povus havigi el specifa fonto. Tio pensigis lin pri la konvertebleco de energio. En 1843, li publikigis rezultojn de esploroj, kiuj montris, ke la varmiga efiko, kiun li mezuris en 1841 okazis, pro la kreiĝo de varmo en la konduktilo, ne en ĝia transiro de alia parto de la aparato. Ĉi tiu rezulto kontraŭis la kalorian teorion, laŭ kiu varmo povas nek kreiĝi nek detruiĝi. Kaloria teorio estis ĉefa principo en la varmo-scienco ekde ĝia unua prezentiĝo de Antoine Lavoisier en 1783. Pro la famo de Lavoisier, kaj pro la praktika sukceso de la kaloria teorio de la varmo-motoro de Sadi Carnot post 1824, la ideoj de la juna Joule nur malfacile akceptiĝis, ĉar li laboris ekster la superaj lernejoj kaj la inĝeniera profesio. Subtenantoj de la kaloria teorio, pro la simetrio de la efiko Peltier-Seebeck, facile povis argumenti, ke varmo kaj elektra fluo estis interkonvertigeblaj laŭ procezo, kiun oni povas, almenaŭ proksimume, renversi.

Post pluaj pruvoj kaj mezuroj per lia elektra motoro, Joule taksis la meĥanikan egalvaloron de varmo kiel 83-fut-funta forto (ft lbf) da laboro por levi la temperaturon de unu funto da akvo je unu grado Farenheit.^[3]

Li anoncis siajn rezultojn ĉe renkontiĝo de la ĥemia fako de la "British Association for the Advancement of Science" (Brita Asocio por la Antaŭigo de Scienco) en Cork en aŭgusto 1843, kaj rikoltis silenton.^[4] Joule ne malkuraĝiĝis, kaj komencis serĉi pure meĥanikan pruvaron de la konvertiĝo de laboro en varmon. Movigante akvon perforte tra truita cilindro, li povis mezuri la etan viskozan varmiĝon de la fluaĵo. Li atingis la meĥanikan egalvaloron da 770 ft·lbf/Btu (4.14 J/cal). La fakto, ke la valoroj, kiujn li mezuris kaj per elektra kaj per meĥanika rimedoj estis proksime ĝis almenaŭ unu grandordo estis, por Joule, konvinka pruvo de la vereco de la konvertigeblo de laboro al varmo.

Joule tiam provis trian vojon. Li mezuris la varmon kreatan kontraŭ la laboro farata dum la kunpremo de gaso. Li atingis la meĥanikan egalvaloron de 798 ft·lbf/Btu (4.29 J/cal). En multaj rilatoj, ĉi tiu eksperimento havigis la plej facilan celon por la kritikantoj de Joule, sed Joule nuligis multajn el la kontraŭargumentoj, kiujn li atendis, per lerta pruvado. Joule legis sian raporton al la Reĝa Societo je la 20a de junio 1844,^[5], tamen, lia raporto malakceptiĝis por publikiĝo fare de la Reĝa Societo, kaj li devis kontentiĝi pri publikigo en la Philosophical Magazine (Filozofa Revuo) en 1845.^[6] En la raporto li klare malakceptis la rezonadon de la kaloria teoria de Carnot kaj Émile Clapeyron, sed liaj teologiaj motivoj ankaŭ montriĝis:

Ĉi tie Joule priparolas vis viva-n (forto viva, energio), eble ĉar Hodgkinson legis recenzon pri la raporto On the measure of moving force (Pri la mezurado de movanta forto al la Literatura kaj Filozofia Societo en aprilo 1844.

Joule skribis en sia raporto de 1844:

En junio 1845, Joule legis sian raporton On the Mechanical Equivalent of Heat (Pri la Meĥanika Egalvaloro de Varmo) al la renkontiĝo de la Brita Asocio en Kembriĝo.^[7] En ĉi tiu verko, li raportis pri sia plej konata pruvo, pri la utilo de falanta ŝarĝo, en kiu gravito faras la meĥanikan laboron, por turnigi akvoradon en izolita barelo da akvo, kiu pliigis la temperaturon. Li nun taksis la meĥanikan egalvaloron je 819 ft·lbf/Btu (4.41 J/cal). Li skribis leteron al la Filozofia Gazeto, kiu publikiĝis en septembro 1845, en kiu li priskribis sian esploron.^[8]

En 1850, Joule publikigis pli precizan mezuron de 772.692 ft·lbf/Btu (4.159 J/cal), pli proksima al 20-jarcentaj taksoj.^[9]

La plimulto el la komenca malakcepto de la laboro de Joule fontis el tio, ke ĝi dependis de tre preciza mezurado. Li diris, ke li kapablas mezuri temperaturojn je ĝusteco malpli ol 200-ono de grado Fahrenheit (3 mK). Tia precizeco estis certe malofta en la tiama esplora fiziko , sed la dubantoj eble malatentis lian sperton en la arto de bierfarado, kaj lia aliro al ĝiaj praktikaj teknologioj.^[10] Lin ankaŭ kapable subtenis la scienca mezurilo-faristo John Benjamin Dancer. La esploroj de Joule kompletigis la teorian laboron de Rudolf Clausius, kiun kelkaj konsideras la kuninventinto de la energio-koncepto.

Joule proponis kinetan teorion de varmo. Li opiniis, ke ĝi estas formo de rotacia, anstataŭ ol transiga, kineta energio, kaj ĉi tiu starigis demandon. Se varmo estas formo de molekula moviĝo (poste nomata Brown-a movado), kial la movado ne iom-post-iome ĉesiĝas? La ideoj de Joule devigis onin kredi, ke la kolizioj inter molekuloj estis perfekte elastaj. Ni ankaŭ memoru, ke la ekzisto mem de atomoj kaj molekuloj ne ĝenerale akceptiĝis, ĝis post 50 jaroj pliaj.

Kvankam eble estas malfacile hodiaŭ kompreni la allogon de la kaloria teorio, je tiu tempo ĝi ŝajne havis certajn avantaĝojn. La sukcesa teorio pri varmo-motoroj de Carnot ankaŭ baziĝis sur la kaloria supozo, kaj nur poste pruviĝis de Sinjoro Kelvin, ke la kalkulojn de Carnot estas same validaj, sen la antaŭsupozo de la ekzisto de kaloria fluaĵo.

Tamen, en Germanio, Hermann Helmholtz ekkonis kaj pri la laboroj de Joule kaj pri la simila laboro en 1842 de Julius Robert von Mayer. Kvankam ambaŭ sciencistoj estis neatentitaj ekde siaj respektivaj publikaĵoj, la definitiva deklaro de Helmholtz en 1847 pri la konservado de energio atentigitis ilin ambaŭ.

Ankaŭ en 1847, ĉe alia el la paroladoj de Joule ĉe la Brita Asocia en Oksfordo ĉeestis George Gabriel Stokes, Michael Faraday, kaj la frumatura kaj malkonvencia William Thomson, kiu poste fariĝis Sinjoro Kelvin, kiu ĵus fariĝis profesoro de natura filozofio ĉe la Universitato de Glasgovo. Stokes "emis esti subtenanto de Joule", kaj Faraday "tre kaptiĝis de ĝi" malgraŭ kelkaj duboj liaj. Thomson interesiĝis, sed dubemis.

Neatendite, Thomson kaj Joule renkontiĝis poste dum tiu jaro en Chamonix. Joule edziĝis kun Amelia Grimes je la 18a de aŭgusto, kaj la duopo vojaĝis dum la postedziĝa mielmonato. Senrilate al la geedziĝa entuziasmo, Joule kaj Thomson aranĝis provi esploron kelkajn tagojn poste, por mezuri la temperaturo-diferencon inter la supro kaj la malsupro de la akvofalo Cascade de Sallanches, kvankam, pro praktikaj kialoj, ili ne povis fari la esploron.

Kvankam Thomson sentis, ke la rezultoj de Joule postulis teorian klarigon, li komencis defendi la teorion de Carnot-Clapeyron. En lia rakonto de 1848 pri absoluta temperaturo, Thomson skribis, ke "la konvertiĝo de varmo (aŭ kaloria) al meĥanika efiko estas verŝajne ne ebla, certe ne malkovrigita"^[11], sed piednoto atentis pri liaj unuaj duboj pri la kaloria teorio, citante la "tre rimarkindajn malkovrojn" de Joule. Surprize, Thomson ne sendis ekzempleron de sia raporto al Joule, sed kiam Joule finfine legis ĝin, li skribis al Thomson je la 6a de oktobro, diranta, ke liaj esploroj montris la konvertiĝon de varmo al laboro, sed ke li planas pluajn esplorojn. Thomson respondis je la 27a, ke li planas siajn proprajn eksperimentojn, kaj esperis, ke ili povus akordigi siajn opiniojn. Kvankam Thomson faris neniajn novajn eksperimentojn, dum la sekvaj du jaroj li fariĝis pli kaj pli malkontenta pri la teorio de Carnot, kaj konvinkita pri la vereco de tiu de Joule. En raporto, kiun li publikigis en 1851, Thomson volis nur kompromisi, kaj deklaris, ke "la tuta teorio pri la moviga povo de varmo baziĝas sur ... du ... proponoj, tiu de Joule, kaj tiu de Carnot kaj Clausius".

Tuj post kiam Joule legis la raporton, li skribis al Thomson sendante siajn komentojn kaj demandojn. Tiel komenciĝis fruktodona, plejparte perletera, kunlaboro inter la du viroj. Joule faris eksperimentojn, kaj Thomson analizis la rezultojn kaj sugestis pliajn eksperimentojn. La kunlaborado daŭris de 1852 ĝis 1856, kaj inter la rezultaj malkovroj estis la efiko Joule-Thomson. La publikigitaj rezultoj ege helpis la ĝeneralan akceptiĝon de la laboro de Joule kaj de la kineta teorio.

Kinetiko estas la scienco de movado. Joule estis studento de Dalton, kaj estas nenia surprizo, ke li lernis firman kredon je la atoma teorio, kvankam estis multaj sciencistoj de tiu tempo kiuj ankoraŭ ne entute konvinkiĝis pri ĝia vereco. Li ankaŭ estis unu el la malmultaj homoj, kiuj estis akceptemaj rilate al la neglektita laboro de John Herapath pri la kineta teorio de gasoj. Li plue estis profunde influita de la raporto de Peter Ewart de 1813, On the measure of moving force (Pri la mezuro de movanta forto).

Joule vidis la rilaton inter siaj malkovroj kaj la kineta teorio de varmo. Liaj laboratoriaj kajeroj montras, ke li opiniis, ke varmo estis formo de rotacia, anstataŭ ol rektlinia, movado.

Joule klopodis serĉi kaj trovi antaŭaĵojn de siaj konsideroj en Francis Bacon, Siro Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson (Grafo Rumford) kaj Siro Humphry Davy. Kvankam tiaj vidpunktoj estas justigitaj, Joule pluis ĝis kalkuli la valoron de la mekanika ekvivalento de varmo je 1034 fut-funto el la publikaĵoj de Rumford. Kelkaj modernaj fakuloj kritikis tiun alproksimiĝon zur la bazo ke la eksperimentoj de Rumford neniel reprezentis sistemajn kvantomezurojn. En unu el liaj personaj notoj, Joule asertas, ke la mezuro de Mayer ne estis pli precizaj ol tiuj de Rumford, eble en la espero ke Mayer ne antaŭvidis lian propran laboron.

Al Joule oni atribuis la klarigon de la sunsubira fenomeno de la verda brilradio per letero al la "Manchester Literary and Philosophical Society" en 1869; fakte, li simple notis (pere de skizo) la lastan brilradion kiel bluecverdeca, sen klopodi klarigi la kaŭzon de la fenomenono.^[12]

Joule mortis hejme en Sale,^[13] kaj estis entombigita en la tombejo de Brooklands tie. Lia tomboŝtono estis markita per la numero "772.55", nome lia klimakterika mezuro de 1878 de la mekanika ekvivalento de varmo, en kiu li trovis, ke tiu kvanto de fut-funtoj de laboro devas esti etendita al marnivelo por plialtigi la temperaturon je unu funto da akvo el 60 ℉ ĝis 61 ℉. Tiukadre gravas ankaŭ citaĵo el la Evangelio laŭ Johano: "Mi devas labori la laboron de li kiu sendis min, dum estas tago: la nokta kometo, kiam neniu homo povas labori". (Johano, 9:4). La biertrinkejo "The Wetherspoon's" en Sale, nome urbo de lia morto, estis nomita "The J. P. Joule" liahonore. La familia bierfarejo de Joule postvivas ĝis nuntempe, sed ĝi dislokiĝis kaj situas nun en Market Drayton, Shropshire.^[14]

Inter la multaj honoroj kaj rekomendoj faritaj al Joule menciindas la jenaj:

• Li estis farita membro de la Royal Society (1850)
  • Li ricevis la "Royal Medal" (1852), 'For his paper on the mechanical equivalent of heat, printed in the Philosophical Transactions for 1850' (Pro lia artikolo pri la mekanika ekvivalento de varmo, presita en "Philosophical Transactions" en 1850)
  • Li ricevis la Medalon Copley (1870), 'For his experimental researches on the dynamical theory of heat' (Pro liaj eksperimentaj esploroj pri la dinamika teorio de varmo)
• Li estis Prezidanto de la "Manchester Literary and Philosophical Society" (1860)
• Li estis Prezidanto de la "British Association for the Advancement of Science" (1872, 1887)
• Li estis farita Honora Membro de la "Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland"^[15] (1857)
• Li ricevis honorajn gradigojn, nome la jenaj:
  • Doktoro pri Juro, Trinity College, Dublino (1857)
  • Doktoro pri Civila juro, Universitato de Oksfordo (1860)
  • Doktoro pri Juro, Universitato de Edinburgo (1871)
• Joule ricevis civilan pension de 200 pundoj per annum (ĉiujare) en 1878 pro servoj al la scienco
• Li ricevis ankaŭ la "Albert Medal" de la "Royal Society of Arts" (1880), 'Ĉar li establis, post la plej laborema esplorado, la veran rilaton inter varmo, elektro kaj mekanika forto, tiel havigante al la inĝeniero certan gvidilon por la aplikado de scienco al industriaj celoj'

Estas memormonumento al Joule en la norda ĥor-halo de la Abatejo Westminster,^[16] kvankam li ne estas entombigita tie, kontraste al tio kion kelkaj biografioj asertas. Statuo de Joule fare de Alfred Gilbert staras en la Urbodomo de Manĉestro, antaŭ tiu de Dalton.

• La ĵulo (traduk-adapto de joule), mezurunuo de energio de la Internacia sistemo de unuoj, portas tiun nomon liahonore.
• La luna kratero Joule portas tiun nomon liamemore.
• Ankaŭ la asteroido 12759 Joule memorigas lian nomon.

En 1847, Joule edziĝis al Amelia Grimes. Joule iĝis vidvino kiam ŝi mortis en 1854, 7 jarojn post ilia geedziĝo.^[17] Ili kunhavis tri gefilojn: nome unu filon, Benjamin Arthur Joule (1850–1922), unu filinon, Alice Amelia (1852–1899) kaj duan filon, Joe (denaske 1854, kiu mortis tri semajnojn poste).^[18]

• Allen, H. S. (1943). "James Prescott Joule and the Unit of Energy". Arkivigite je 2013-01-24 per la retarkivo Wayback Machine Nature. 152 (3856): 354. Bibcode:1943Natur.152..354A. doi:10.1038/152354a0. ISSN 0028-0836. S2CID 4182911.
• Biographical Index of Former Fellows of the Royal Society of Edinburgh 1783–2002 (PDF). The Royal Society of Edinburgh. July 2006. ISBN 0-902-198-84-X.
• Cardwell, Donald S. L. (1991). James Joule: A Biography. Manchester University Press. ISBN 978-0-7190-3479-4.
• Hall, Alfred Rupert (1966). The Abbey Scientists. R. & R. Nicholson.
• Murray, James Augustus Henry (1901). A new English dictionary on historical principles; founded mainly on the materials collected by the Philological society. Oxford: Clarendon.
• Sibum, H. O. (1995). "Reworking the mechanical value of heat: instruments of precision and gestures of accuracy in early Victorian England". Studies in History and Philosophy of Science. 26: 73–106. doi:10.1016/0039-3681(94)00036-9.
• Thomson, William (1848). "On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot's Theory of the Motive Power of Heat, and calculated from Regnault's Observations". Philosophical Journal.
• Thomson, William (1882). Mathematical and Physical Papers. Cambridge: University Press.
• Zemansky, Mark W (1968). Heat and thermodynamics: an intermediate textbook (5a eld.). New York: McGraw-Hill. OCLC 902055813.

• Isaac Asimov: Biographische Enzyklopädie der Naturwissenschaften und der Technik. Herder, Freiburg/Basel/Wien 1974, ISBN 3-451-16718-2, S. 285–287.
• Bottomley, J. T. (1882). "James Prescott Joule". gazeto Nature. 26 (678): 617–620. Bibcode:1882Natur..26..617B. doi:10.1038/026617a0.
• Forrester, J. (1975). "Chemistry and the Conservation of Energy: The Work of James Prescott Joule". Studies in the History and Philosophy of Science. 6 (4): 273–313. doi:10.1016/0039-3681(75)90025-4.
• Fox, R, "James Prescott Joule, 1818–1889", in North, J. (1969). Mid-nineteenth-century scientists. Elsevier. pp. 72–103. ISBN 0-7190-3479-5.
• Glazebrook, Richard Tetley (1892). "Joule, James Prescott". En Lee, Sidney (eld.). Dictionary of National Biography. 30. London: Smith, Elder & Co.
• Reynolds, Osbourne (1892). Memoir of James Prescott Joule. Manchester, England: Manchester Literary and Philosophical Society. Alirita la 5an de Marto 2014.
• L. Rosenfeld: Joule, James Prescott. En: Charles Coulston Gillispie (Eld.): Dictionary of Scientific Biography. Band 7: Iamblichus – Karl Landsteiner. Charles Scribner’s Sons, New York 1973, S. 180–182.
• Smith, C. (1998). The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. London: Heinemann. ISBN 0-485-11431-3.
• Smith, Crosbie (6a de Januaro 2011). "Joule, James Prescott". Oxford Dictionary of National Biography (online ed.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/15139.
• Smith, C.; Wise, M.N. (1989). Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin. Cambridge University Press. ISBN 0-521-26173-2.
• Steffens, H.J. (1979). James Prescott Joule and the Concept of Energy. Watson. ISBN 0-88202-170-2.
• Walker, James (1950). Physics 4th Edition. Pearson. ISBN 978-0-321-54163-5.
• P. Volkmann: Technikpioniere: Namensgeber von Einheiten physikalischer Einheiten. VDE Verlag, Berlin/Offenbach 1990, ISBN 3-8007-1563-5, S. 63–67.
• "Obituary : Dr. Joule". Electrical Engineer. London: Biggs & Co (18a de Oktobro): 311–312. 1889. "James Joule obituary."

• The scientific papers of James Prescott Joule (1884) – notita de Joule
• The joint scientific papers of James Prescott Joule (1887) – notita de Joule
• Klasikaj artikoloj de 1845 kaj 1847 en retejo ChemTeam On the Mechanical Equivalent of Heat kaj On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
• "Joule's water friction apparatus" en London Science Museum
• Some Remarks on Heat and the Constitution of Elastic Fluids, kalkulo de Joule en 1851 pri la rapido de gasmolekulo
• Joule Manuscripts^{[rompita ligilo]} en la Biblioteko John Rylands Library, Manchester.
• University of Manchester material on Joule – includes photographs of Joule's house and gravesite
• Joule Physics Laboratory Arkivigite je 2013-01-29 per la retarkivo Wayback Machine en la Universitato de Salford

• En tiu ĉi artikolo estas uzita traduko de teksto el la artikolo James Prescott Joule en la angla Vikipedio.