العالم جيمس جول هو عالم فيزياء إنجليزي شهير اشتهر بقدرته على التعلم الذاتي بعيدًا عن المؤسسات الأكاديمية التقليدية. طوال حياته، لم يتقلد أي منصب أكاديمي رسمي.
تمكن جول من إثبات موهبته من خلال استغلال ذكائه وشغفه بالعلوم، مما أتاح له الوصول إلى المفهوم الأساسي للمكافئ الميكانيكي الحراري.
العالم جيمس جول
- وُلد جيمس جول في سالفورد، إنجلترا، في 24 ديسمبر من عام 1818.
- يُعتبر جول عالمًا بارزًا في الفيزياء وقد أثبت أن أشكال الطاقة المختلفة، بما في ذلك الطاقة الكهربائية والحرارية والميكانيكية، تتشابه في جوهرها ويمكن تحويلها من شكل إلى آخر.
- كان والد جيمس يجمع بين صناعة البيرة، بينما عُرفت والدته باسم أليس بريسكوت، وقد نشأ في عائلة كانت تهتم بأشياء أخرى بعيدًا عن العلم.
التعليم في حياة جيمس جول
- لم يتلقَ جول تعليمًا أكاديميًا تقليديًا، حيث كان يدرس في المنزل بسبب حالته الصحية.
- تعلم الحساب والهندسة في زمن “جون دالتون” من خلال جمعية مانشستر الأدبية والفلسفية.
- درس أيضًا على يد العالم الشهير جون ديفيز.
- في سن الخامسة عشرة، بدأ جول العمل في مصنع الجعة الذي يملكه والده، لكنه استمر في متابعة اهتماماته العلمية خلال تلك الفترة.
- استمتع بجوانب تجربة الكهرباء ودرس طبيعة الحرارة، مثبتًا علاقتها بالعمل الميكانيكي.
- أنشأ جول أسس نظرية الحفاظ على الطاقة، والتي أثرت في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- كما قام بصياغة قانون جول الذي يعنى بنقل الطاقة.
- في عام 1838، نشر أول مقال علمي له حول الكهرباء في دورية أسسها ستورجيون.
- يُعتبر جول أحد أعظم علماء الفيزياء في عصره، حيث تميزت أبحاثه في مجالات الديناميكا الحرارية والكهرباء.
- استطاع تحديد العلاقة بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية، بحيث تكون الحرارة قابلة للتحويل الميكانيكي.
- بالتعاون مع الفيزيائي وليام طومسون، توصل جول إلى قانون حفظ الطاقة من خلال أساليب متعددة.
- توفي جول في 11 أكتوبر عام 1889 عن عمر يناهز السبعين عامًا بعد صراع مع المرض في مانشستر الكبرى، إنجلترا.
إنجازات جيمس جول
حقق جيمس جول العديد من الاكتشافات المهمة، أبرزها ما يلي:
- كانت إحدى تجاربه الرائدة هي المحركات الكهربائية، حيث سعى لتحويل المحركات البخارية في مصنع الجعة إلى محركات كهربائية.
- خلال تلك التجربة، اكتشف “قانون جول” في عام 1840.
- أسهم بشكل كبير في بناء علاقة بين تدفق التيار والمقاومة والحرارة الناتجة.
- ينص قانون جول على أن كمية الحرارة الناتجة في الثانية في سلك يحمل تيارًا تتناسب مع كلٍ من مربع التيار والمقاومة الكهربائية للسلك.
- أجرى جول العديد من التجارب باستخدام المجداف المسعر.
- في عام 1843، أعلن جول عن تصميمه فيما يتعلق بالعمل المطلوب لإنتاج وحدة حرارة، مُعرّفًا المكافئ الميكانيكي للحرارة.
- وصف نتائج تجاربه بشكل شامل في مقالته الشهيرة التي نشرت في نفس العام.
- أثبت أن العمل الميكانيكي والحرارة هما شكلان مهمان من الطاقة، لتصبح جهوده أساسًا في صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- عمل اللورد كلفن على تطوير المقياس المطلق لدرجات الحرارة.
- في عام 1852، اكتشفوا تأثير جول طومسون، الذي يُظهر أنه عند توسيع الغاز دون تأدية عمل يُمكن أن تنخفض درجة حرارته، واُستخدم هذا المفهوم في التبريد.
الصيغة الرياضية لقانون جول
نقدم هنا الصيغة الرياضية لقانون جول باللغتين الإنجليزية والعربية:
- ينص قانون جول على أن “الطاقة الحرارية الناتجة في مقاومة ما بسبب مرور تيار كهربائي تتناسب طرديًا مع القدرة الكهربائية والمدة الزمنية التي يمر فيها التيار”.
- الطاقة الحرارية بوحدة الجول = مربع شدة التيار × المقاومة × زمن مرور التيار.
- بالرموز، يمكن التعبير عنها كالتالي: ط ح = ت² × م × ز.
حيث:
- ط ح: تعبر عن الطاقة الحرارية بالجول.
- ت: تمثل شدة التيار الكهربائي بالأمبير، وهي تتناسب طرديًا مع كمية الطاقة.
- م: تشير إلى المقاومة الكهربائية للموصل بالأوم، وتتناسب طرديًا مع كمية الطاقة.
- ز: تمثل الزمن بالثانية، وتتناسب طرديًا مع كمية الطاقة.
الصيغة الرياضية لقانون جول باللغة الإنجليزية
- H (Heat) = I^2 (Squared Current) x R (Resistance) x T (Time the current is allowed to flow).
- وبالرموز يُعبر عنها بـ “Qh = I² × R × t”.
حيث:
- Qh: تمثل مقدار الطاقة الحرارية بالجول.
- I: تشير إلى شدة التيار الكهربائي بالأمبير.
- R: تعبر عن المقاومة الكهربائية بالأوم.
- T: تعبر عن الزمن بالثانية.
