جيمس جول هو عالم فيزيائي إنجليزي برز بفضل اعتماده على الذات في تعليمه وتطوير معرفته بعيداً عن المعاهد الأكاديمية الرسمية، حيث لم يشغل أي منصب أكاديمي طوال حياته.
على الرغم من ذلك، تمكن من إثبات نفسه بالاستفادة من ذكائه وشغفه العميق بالعلوم، وفي سياق أبحاثه، أسس مفهوم المكافئ الميكانيكي الحراري.
جيمس جول: عالِم الفيزياء
- وُلد جيمس جول في 24 ديسمبر عام 1818 في سالفورد، لانكشاير.
- كعالم فيزيائي إنجليزي، أثبت أن أنواع الطاقة المختلفة مثل الطاقة الكهربائية والحرارية والميكانيكية يمكن تحويلها من شكل لآخر.
- كان والد جيمس جول معروفاً بصناعة الجعة، بينما عرفت والدته بأسم أليس بريسكوت، وقد نشأ في عائلة لم تكن تهتم كثيراً بالعلوم.
الحياة التعليمية لجيمس جول
- لم يتلقَ جيمس جول تعليماً أكاديمياً تقليدياً، إذ كانت أوقات دراسته مُقيدة بسبب حالته الصحية.
- درس الحساب والهندسة بيد “جون دالتون” في جمعية مانشستر الأدبية والفلسفية.
- في عمر الخامسة عشر، بدأ العمل في مصنع الجعة الذي كان يشغله والده، ومع ذلك، ظل شغوفاً بالعلوم خلال هذه الفترة.
- استمتع جيمس جول بإجراء التجارب في الكهرباء، ودراسة طبيعة الحرارة، وأثبت الربط بين الحرارة والعمل الميكانيكي.
- ساهم في وضع الأسس لنظرية الحفاظ على الطاقة، والتي أثرت بدورها في القانون الأول للديناميكا الحرارية.
- صاغ قانون جول الذي يخص نقل الطاقة، وفي عام 1838 نشر أول مقالة علمية له عن الكهرباء في المجلة التي أنشأها ستورجيون.
- أصبح أحد أبرز علماء الفيزياء في عصره، وتخصصت أبحاثه بشكل رئيسي في الديناميكا الحرارية والكهرباء.
- حدد العلاقة بين الطاقة الميكانيكية والحرارية، موضحاً إمكانية تحويل heat إلى شكل ميكانيكي.
- توفي في 11 أكتوبر 1889، في مانشستر الكبرى، إنجلترا، بعد صراع مع المرض عن عمر يناهز 70 عاماً.
إنجازات جيمس جول
حقق جيمس جول العديد من الاكتشافات المهمة، منها:
- أولى تجاربه تمحورت حول المحركات الكهربائية، إذ كان يسعى لاستبدال المحركات البخارية في مصنع الجعة بمحركات كهربائية.
- أدى ذلك إلى اكتشاف “قانون جول” عام 1840.
- برهن عن العلاقة بين تدفق التيار، المقاومة، ودرجة الحرارة الناتجة.
- ينص قانون جول على أن مقدار الحرارة الناتجة في ثانية عبر سلك يحمل تيار كهربائي يتناسب طردياً مع مربع التيار ومقاومة السلك.
- أجرى جول العديد من التجارب الإضافية باستخدام مجداف مسعر.
- في عام 1843، كشف عن تصاميمه لحساب العمل اللازم لإنتاج وحدة حرارة، والمعروفة بالمكافئ الميكانيكي للحرارة.
- وصف نتائجه في مقالة شهيرة نشرت في عام 1843، حيث أثبت أن العمل الميكانيكي والحرارة يمثلان شكلين أساسيين من الطاقة، مما جعل جهوده أساساً للقانون الأول للديناميكا الحرارية.
- تعاون مع اللورد كلفن في صياغة المقياس المطلق لدرجة الحرارة.
- في عام 1852، اكتشف تأثير جول-طومسون، والذي يُظهر أنه عند توسيع الغاز دون القيام بعمل، تنخفض درجة حرارته، واستخدم هذا المفهوم في تطبيقات التبريد.
الصيغة الرياضية لقانون جول
في ما يلي، نقدم الصيغة الرياضية لقانون جول باللغتين الإنجليزية والعربية، مع الرموز:
- ينص قانون جول على أن “الطاقة الحرارية الناتجة في مقاومة معينة نتيجة مرور تيار كهربائي تتناسب طردياً مع القدرة الكهربائية والمدة الزمنية التي يمر فيها التيار”.
- يمكن التعبير عن الطاقة الحرارية بالجول كالتالي: الطاقة الحرارية = (مربع شدة التيار) x (المقاومة) x (زمن مرور التيار).
- يتم تمثيل ذلك بالرموز كالتالي: ط ح = ت² × م × ز.
حيث أن:
- ط ح: تعكس الطاقة الحرارية بالجول.
- ت: تشير إلى شدة التيار الكهربائي بالأمبير، وتتناسب طردياً مع كمية الطاقة.
- م: تمثل المقاومة الكهربائية للأوم، وتتناسب طردياً أيضاً مع كمية الطاقة.
- ز: تعني الزمن بالثانية، وتتناسب طردياً مع كمية الطاقة.
الصيغة الرياضية لقانون جول باللغة الإنجليزية
- H (Heat) = I² (Squared Current) x R (Resistance) x T (Time the current is allowed to flow).
- Written symbolically as “Qh = I² × R × t”.
حيث أن:
- Qh: تمثل مقدار الطاقة الحرارية بالجول.
- I: تعبر عن شدة التيار الكهربائي بالأمبير.
- R: تمثل المقاومة الكهربائية بالأوم.
- T: الزمن بالثانية.
