James Prescott Joule

James Prescott Joule byl britský fyzik, po kterém je nazvána fyzikální jednotka množství energie.

Pojídáním brambor, rýže, hrachu, výrobků z pšeničné mouky a dalších pěstovaných rostlin získáváme energii, neboť potrava se v našem těle spaluje a zásobuje ho energií, která je potřebná k práci. Množství jídla, které sníme, by mělo přibližně odpovídat energii, kterou vydáváme, tedy práci, kterou vykonáváme. Jestliže se přejídáme a měně pracujeme, nabýváme na váze. Ostatně, mezi lidmi se ještě často říká: "Kdepak, to jíst nemohu, po tom se tloustne, to má moc kalorií." Kilogram chleba dodá člověku například asi 2500 kilokalorií, to je tolik energie, která mu stačí na běžnou celodenní tělesnou práci i odpočinek.

Dříve se totiž výživná hodnota potravin přepočítávala na kalorie, na jednotky pro teplo. Název kalorie pochází z latinského slova calor, které znamená teplo, žár. Jedna kalorie totiž vyjadřovala množství tepla potřebného k ohřátí jednoho gramu vody o jeden stupeň Celsia. Protože to byla jednotka příliš malá, užívala se v běžné praxi také tisíckrát větší jednotka, kilokalorie (kcal nebo Kal), kterou vyjadřovalo množství tepla ukryté v kilogramu dřeva (asi 3000 kcal). Energie se však neměřila pouze kaloriemi, ale i ergy (z řeckého ergon, což znamená práci), kilopondy, kilopoundmetry apod.

Protože však vědci zjistili, že teplo je zdrojem mechanické energie a energie a práce jsou vlastně totožné pojmy, snažili se pro ně zavést stejné jednotky. Pro zjednodušení výpočtů se proto užívá podle mezinárodní soustavy jednotek SI pro energii, práci a množství tepla nová jednotka joule. Vyjadřuje práci, kterou vykonává stálá síla jednoho newtonu, působící po dráze jednoho metru ve směru síly. Po přepočtu je jedna kalorie 4,18 joulu (J).

Co je to energie a práce, většina z vás ví již ze školy, přesto si tyto pojmy stručně zopakujeme. Energie je schopnost těles konat práci a práce je vykonávána tehdy, přemísťuje-li se nějaké těleso působením síly po určité dráze. To tedy znamená, že držíme-li například učebnici v ruce zcela v klidu, žádnou práci nevykonáváme, protože učebnice se nepohybuje. Jestliže ji však pokládáme na stůl, v tomto případě již vykonáváme práci. Učebnice na stole má větší energii, než když leží třeba na zemi. Pravda, je to pouze skrytá energie, ale energie to je, říká se jí energie polohová neboli potenciální. Když ale učebnice padá na zem, tuto energii pozbývá, protože polohová energie se mění v energii pohybujícího se tělesa, v takzvanou pohybovou (kinetickou) energii. I ta se však zcela a beze zbytku pádem neztratí. Část se jí spotřebuje na to, že vyvolá větší nebo menší pohyb vzduchu, část případné poškození učebnice apod.

Obvykle se uvádějí i další, názornější příklady různých druhů a přeměn energií. Například to, že před mnoha miliony let využily stromovité přesličky a plavuně ke svému růstu tepelnou a světelnou energii slunce. Během dlouhé doby se tyto rostliny sice změnily v uhlí, ale sluneční energie se přesto neztratila. Pouze se přeměnila v energii chemickou, která se spalováním uhlí změní v energii tepelnou. V tepelné elektrárně, kde se uhlí používá jako palivo, ohřívá páru, která roztáčí turbínu, jíž se pohání generátor vyrábějící elektřinu. Elektrická energie se v elektrickém vařiči mění opět v energii tepelnou, v žárovce v energii světelnou apod. Energie se neztrácí, pouze se mění jeden druh energie v jiný. Ostatně to velmi výstižně vyjadřuje jeden z nejdůležitějších fyzikálních zákonů, zákon zachování energie, který říká, že energie ani nevzniká, ani nezaniká, pouze se přeměňuje z jedné formy v jinou.

James Prescott Joule

Jedním z vědců, který měl velký podíl na tomto objevu, byl anglický fyzik James Prescott Joule. Právě na jeho počest se energie nyní udává v jednotkách, které byly nazvány po něm. James Prescott Joule se narodil 24. prosince 1818 v Salfordu u Manchesteru. Jeho dědeček byl sládkem a v 18. století zde založil prosperující pivovar. Jeho otec podnik dále zvelebil a počítal s tím, že syn James nebo jeho starší bratr budou ve výnosném pivovarnickém podnikání pokračovat. Neposlal chlapce do žádných speciálních škol, ale zajistil jim, jak bylo v té době v majetnějších rodinách zvykem, soukromé vzdělávání.

Jejich učitelem se stal vynikající chemik a fyzik John Dalton z Manchesteru. Zvlášť velký zájem o přírodní vědy a matematiku projevoval mladší z bratrů, James, který si doma začal sestavovat různé aparatury a dělat pokusy. Otec měl pro toto experimentování pochopení, neboť poznal, že u syna nejde jen o chvilkovou zálibu, ale o opravdové vážné zaujetí a hluboký zájem. Aby Jamesovy sklony a nadání ještě více podpořil, nechal mu v pivovaru vybudovat soukromou laboratoř. To už byl ale syn autorem prvního pojednání o novém elektromotoru. Roku 1838 totiž vynalezl elektrický motor, v němž použil otáčivý pohyb vodiče, kterým prochází elektrický proud v magnetickém poli. Tehdy mu nebylo ještě dvacet let. Později však svůj vynález sebekriticky zhodnotil, a dokonce ho zavrhl jako nevhodný, protože elektromotor pracoval značně nehospodárně.

V dalších letech se James Prescott Joule věnoval pokusům, při nichž zkoumal vznik tepla vlivem elektrického proudu. Zjistil, že při průchodu elektrického proudu vodičem vzniká teplo (později bylo pojmenováno po něm Jouleovo teplo) a že jeho množství je úměrné čtverci síly proudu, první mocnině odporu a době průchodu. Při dalších experimentech, když měřil zahřátí vody, kterou míchal lopatkami kalorimetru, jež pohánělo závaží s určitou potenciální energií, dospěl k závěru, že teplo může vznikat z mechanické práce, a vypočetl jeho mechanický ekvivalent. Zjistil, že ohřátí vody o 1 °C je ekvivalentní (rovnocenné) zvednutí jednoho kilogramu do výše 460 metrů. To znamená, že množství vyvinutého tepla je vlastně vždy přímo úměrné množství spotřebované práce.

O výsledcích podal souhrnnou zprávu na vědeckém shromáždění 21. srpna 1843. Do důsledku vzato tím pokusně dokázal zákon zachování energie. Přesně ho sice neformuloval, to učinil až za čtyři roky německý fyzik Hermann Helmholz, ale přesto je pokládán (spolu s Robertem Mayerem) za jednoho z objevitelů tohoto zákona.

V následujících letech James Prescott Joule zkoumal zvyšování teploty třením tekutin a změny teploty při rozpínání plynů. Roku 1853 dospěl spolu se skotským fyzikem Williamem Thomsonem (lordem Kelvinem) k dalšímu objevu. Při přechodu volně se rozpínajícího plynu z nádoby s vysokým tlakem do nádoby s nižším tlakem oba vědci zjistili, že teplota plynů poklesne. Tento jev, dnes známý jako Jouleův-Thomsonův efekt, měl značný význam pro další rozvoj termodynamiky. Joule se zabýval ještě dalším studiem plynů, při němž se pokoušel objasnit zákony, které pro plyny platí z mikroskopického hlediska: snažil se o výpočet rychlosti pohybu molekul plynu v závislosti na jeho teplotě.

Ne všechny Jouleovy výzkumy byly v Anglii ihned všeobecně přijaty, zejména k jeho pracím o plynech měli někteří vědci výhrady, ale nakonec se houževnatý a obětavý fyzik samouk uznání přece jen dočkal. Stal se nejen členem londýnské Královské společnosti, ale i členem francouzské Akademie věd. Bylo to pro něho velké zadostiučinění, protože vědecké práci zasvětil doslova celý život. Po smrti otce vedl sice spolu s bratrem pivovar, poté ho spravoval určitou dobu i sám, ale roku 1854, když mu zemřela manželka, ho prodal a žil zcela v ústraní a zabýval se pouze vědeckou činností. Věnoval jí všechen čas i peníze. Po roce 1872 měl potíže se zdravím a často churavěl, ale pracoval i nadále. Z jeho jmění mu toho už moc nezůstalo, a proto mu anglická královna roku 1878, tehdy už jako uznávanému vědci, přiznala penzi. Zemřel v Salfordu 11. října 1889. James Prescott Joule se vynikajícími výsledky své práce zařadil mezi nejslavnější anglické vědce samouky, Daltona a Faradaye.

Další články

Největší vynálezci historie
Čaj je potěcha smyslů.
Max Planck učinil na přelomu devatenáctého a dvacátého století objev, který otřásl základy tradiční fyziky.
Rychlost je relativním pojmem.
Cvičení Qi Gong (Čchi kung) - práce s energií v sobě spojuje tělesný pohyb a dotek poznání světa, který je výsledkem hry energií, sil a vlivů.
Písek zdrojem energie

Informační stránky Yin.cz Jak Google využívá data, když používáte weby nebo aplikace našich partnerů