Cum a schimbat Joule conceptele de căldură și conservarea energiei prin experiențele sale

James Prescott Joule a studiat natura căldurii și a descoperit relația acesteia cu lucrul mecanic. Acest lucru a dus la legea conservării energiei, care la rândul său a dus la dezvoltarea primei legi a termodinamicii. Experimentele sale despre transformările energetice au fost publicate pentru prima dată în 1843.

În tinerețe, Joule a condus o fabrică de bere. Știința era doar un hobby. În jurul anului 1840, a început să investigheze fezabilitatea înlocuirii motoarelor cu aburi ale fabricii de bere cu noul motor electric inventat. Primele sale lucrări științifice despre acest subiect au fost contribuții la Annals of Electricity de William Sturgeon. Joule a fost membru al London Electrical Society, înființată de Sturgeon și alții.

Motivat, în parte, de dorința ca om de afaceri de a cuantifica economia alegerii, și în parte de curiozitatea sa științifică, el și-a propus să stabilească motorul care era mai eficient. A descoperit prima lege a lui Joule în 1841, respectiv căldura care este dezvoltată prin acțiunea corectă a oricărui curent voltaic este proporțională cu pătratul intensității acelui curent, înmulțit cu rezistența conductorului din experiment. A continuat constatând că arderea unui kilogram de cărbune într-un motor cu aburi era mai economică decât u kilogram de zinc consumat într-o baterie electrică. Joule a scris rezultatul metodelor alternative în termenii unui standard comun, abilitatea de a ridica o masă care cântărește o livră până la o înălțime de un picior, picior-livra.

Cu toate acestea, interesul lui Joule s-a deturnat de la aspectul financiar îngust la cel al cantității de lucru care ar putea fi extras dintr-o anumită sursă, ceea ce l-a determinat să speculeze cu privire la convertibilitatea energiei. În 1843 a publicat rezultatele experimentelor care arată că efectul de încălzire pe care îl cuantificase în 1841 se datora generării de căldură în conductor și nu transferului acesteia dintr-o altă parte a echipamentului. Aceasta a fost o provocare directă a teoriei calorice, care susținea că nicio cantitate de căldura nu poate fi nici creată, nici distrusă. Teoria calorică a dominat gândirea în știința căldurii de când a fost introdusă de Antoine Lavoisier în 1783. Prestigiul lui Lavoisier și succesul practic al teoriei calorice a motorului termic al lui Sadi Carnot din 1824 a asigurat tânărului Joule, atât în mediul academic cât și în profesia de inginer, un drum dificil în fața lui. Susținătorii teoriei calorice au indicat cu ușurință simetria efectului Peltier-Seebeck pentru a susține că atât căldura cât și curentul sunt convertibile într-un proces, cel puțin aproximativ reversibil.

Echivalentul mecanic al căldurii

Experimente și măsurători suplimentare cu motorul său electric l-au determinat pe Joule să estimeze echivalentul mecanic al căldurii ca 4.1868 jouli pe calorie de lucru pentru a crește temperatura unui gram de apă cu un grad Kelvin. El și-a anunțat rezultatele la o întâlnire a secției chimice a Asociației Britanice pentru Avansarea Științei din Cork în august 1843 și a fost întâmpinat cu tăcere.

Joule nu a fost descurajat și a început să caute o demonstrație pur mecanică a transformării lucrului mecanic în căldură. Forțând apa printr-un cilindru perforat, el putea măsura ușoara încălzire vâscoasă a fluidului. A obținut un echivalent mecanic de 770 de livre pe unitatea termică britanică (4.140 J / Cal). Faptul că valorile obținute atât prin mijloace electrice, cât și pur mecanice erau în acord cu cel puțin un ordin de mărime a fost, pentru Joule, dovezi convingătoare ale realității convertibilității lucrului mecanic în căldură.

”Oriunde se consumă forța mecanică, se obține întotdeauna un echivalent exact al căldurii.”
– J.P. Joule, august 1843

Joule a încercat acum un al treilea traseu. A măsurat căldura generată în funcție de lucrul mecanic efectuat la comprimarea unui gaz. A obținut un echivalent mecanic de 798 picioare-livre forță pe unitate termică britanică (4.290 J / Cal). În multe privințe, acest experiment a oferit cea mai ușoară țintă pentru criticii lui Joule, dar Joule a eliminat obiecțiile anticipate printr-o experimentare inteligentă. Joule și-a citit lucrarea către Societatea Regală la 20 iunie 1844, dar lucrarea sa a fost respinsă pentru publicare de către Societatea Regală și a trebuit să se mulțumească cu publicarea în Philosophical Magazine în 1845. În lucrare a fost direct în respingerea raționamentul caloric al lui Carnot și Émile Clapeyron, o respingere parțial determinată teologic:

”Înțeleg că această teorie … se opune principiilor recunoscute ale filozofiei, deoarece conduce la concluzia că vis viva poate fi distrusă de o dispoziție necorespunzătoare a aparatului: Astfel, domnul Clapeyron trage concluzia că „temperatura focului fiind de la 1000 °C până la 2000 °C mai mare decât cea a cazanului, există o pierdere enormă de vis viva în trecerea căldurii de la cuptor la cazan.” Crezând că puterea de a distruge aparține numai Creatorului, afirm … că orice teorie care, atunci când este realizată, cere anihilarea forței, este neapărat eronată.”

Joule adoptă aici limbajul vis viva (energie), probabil pentru că Hodgkinson citise o recenzie a lui Ewart Despre măsura mișcării forței la Societatea literară și filozofică în aprilie 1844.

Joule a scris în lucrarea sa din 1844:

”… puterea mecanică exercitată la rotirea unei mașini magneto-electrice este transformată în căldura evoluată prin trecerea curenților de inducție prin bobinele sale; și, pe de altă parte, puterea motrică a motorului electromagnetic este obținută în detrimentul căldurii datorită reacțiilor chimice ale bateriei prin care este acționată.”

În iunie 1845, Joule a citit lucrarea sa Despre echivalentul mecanic al căldurii la întâlnirea Asociației Britanice de la Cambridge. În această lucrare, el a raportat cel mai cunoscut experiment al său, care implică utilizarea unei greutăți în cădere, în care gravitația face lucrul mecanic, pentru a roti o roată cu palete într-un butoi izolat de apă în care a crescut temperatura. El a estimat acum un echivalent mecanic de 819 picioare-livre forță pe unitate termică britanică (4.404 J / Cal). El a scris o scrisoare către revista Philosophical Magazine, publicată în septembrie 1845, descriind experimentul său.

(Aparatul de căldură al lui Joule, 1845)

În 1850, Joule a publicat o măsurare rafinată de 772.692 picioare-livre forță pe unitate termică britanică (4.150 J / Cal), mai aproape de estimările secolului al XX-lea.

Recepție și prioritate

(Aparatul lui Joule pentru măsurarea echivalentului mecanic al căldurii)

O mare parte din rezistența inițială la lucrarea lui Joule provine din dependența sa de măsurători extrem de precise. El a susținut că este capabil să măsoare temperaturile în limita a 1⁄200 de grade Fahrenheit (3 mK). O astfel de precizie a fost cu siguranță neobișnuită în fizica experimentală contemporană, dar cei care se îndoiau neglijau probabil experiența sa în arta fabricării berii și accesul la tehnologiile sale practice. De asemenea, a fost susținut cu pricepere de către producătorul de instrumente științifice John Benjamin Dancer. Experimentele lui Joule au completat opera teoretică a lui Rudolf Clausius, care este considerat de unii drept inventatorul conceptului energetic.

Joule a propus o teorie cinetică a căldurii (el credea că este o formă de energie cinetică de rotație, mai degrabă decât de translație), iar acest lucru necesită un salt conceptual: în cazul în care căldura era o formă de mișcare moleculară, de ce mișcarea moleculele nu se stinge treptat? Ideile lui Joule impuneau să se considere că coliziunile moleculelor erau perfect elastice. De asemenea, ar trebui să ne amintim că însăși existența atomilor și moleculelor nu a fost acceptată pe scară largă timp de încă 50 de ani.

Deși poate fi greu astăzi să înțelegem atracția teoriei calorice, la momentul respectiv părea să aibă unele avantaje clare. Teoria de succes a lui Carnot a motoarelor termice se bazase și pe ipoteza calorică și abia mai târziu s-a dovedit de Lord Kelvin că matematica lui Carnot era la fel de valabilă fără a presupune un fluid caloric.

Cu toate acestea, în Germania, Hermann Helmholtz a devenit conștient atât de opera lui Joule, cât și de lucrările similare din 1842 ale lui Julius Robert von Mayer. Deși ambii au fost neglijați de publicațiile vremii, declarația definitivă a lui Helmholtz din 1847 privind conservarea energiei i-a creditat pe amândoi.

Tot în 1847, la o altă prezentare a lui Joule la Asociația Britanică din Oxford au participat George Gabriel Stokes, Michael Faraday și William Thomson, care va deveni ulterior Lord Kelvin, care tocmai fusese numit profesor de filosofie naturală la Universitate din Glasgow. Stokes a fost „înclinat să fie un joulist”, iar Faraday a fost „foarte șocat de el”, deși a avut dubii. Thomson era intrigat, dar sceptic.

Joule și Thomson au aranjat să încerce un experiment în același an pentru a măsura diferența de temperatură între vârful și partea de jos a Cascadei de Sallanches, deși acest lucru s-a dovedit ulterior impracticabil.

Deși Thomson a simțit că rezultatele lui Joule necesită explicații teoretice, el s-a retras într-o apărare spirituală a școlii Carnot-Clapeyron. În relatarea sa despre temperatura absolută din 1848, Thomson a scris că „conversia căldurii (sau calorice) în efect mecanic este probabil imposibilă, cu siguranță nedescoperită” – dar în o notă de subsol a semnalat primele sale îndoieli cu privire la teoria calorică, referindu-se la descoperirile „remarcabile” ale lui Joule. În mod surprinzător, Thomson nu i-a trimis lui Joule o copie a lucrării sale, dar când Joule a citit-o în cele din urmă, i-a scris lui Thomson la 6 octombrie, susținând că studiile sale au demonstrat conversia căldurii în lucru mecanic, dar că planifică și alte experimente. Thomson a răspuns pe 27, dezvăluind că își planifică propriile experimente și spera la o reconciliere a celor două păreri ale lor. Deși Thomson nu a efectuat noi experimente, în următorii doi ani a devenit din ce în ce mai nemulțumit de teoria lui Carnot și convins de Joule. În lucrarea sa din 1851, Thomson a fost dispus să meargă mai departe decât un compromis și a declarat că „întreaga teorie a puterii motrice a căldurii se bazează pe două propoziții, datorate respectiv lui Joule, respectiv lui Carnot și Clausius”.

De îndată ce Joule a citit ziarul, i-a scris lui Thomson cu comentariile și întrebările sale. Astfel a început o colaborare fructuoasă, deși în mare parte epistolară, între cei doi, Joule conducând experimente, Thomson analizând rezultatele și sugerând alte experimente. Colaborarea a durat între 1852 și 1856, descoperirile sale incluzând efectul Joule-Thomson, iar rezultatele publicate au contribuit mult la acceptarea generală a operei lui Joule și a teoriei cinetice.