Το ευφυές πείραμα του Joule

Τζουλ: ο ζυθοποιός και η διατήρηση της ενέργειας

Αναδημοσίευση από το blog: Μολύβι χαρτί

Τζέιμς Πρέσκοτ Τζουλ

O Τζέιμς Τζουλ (James Ρrescott Joule) ήταν κατ΄ επάγγελμα ζυθοποιός αλλά και φανατικός ερασιτέχνης φυσικός που δεν πήγε ποτέ σχολείο. Στα παιδικά του χρόνια διδάχθηκε τις βασικές γνώσεις κατ΄ οίκον και στη συνέχεια σπούδασε φυσικές επιστήμες με τον Τζον Ντάλτον (John Dalton), τον χημικό που αναβίωσε την ατομική θεωρία του Δημόκριτου στη σύγχρονη εποχή.

Μετά τις σπουδές του ασχολήθηκε με την οικογενειακή επιχείρηση ζυθοποιίας έως ότου αυτή πουλήθηκε, οπότε έμεινε απερίσπαστος στην επιστημονική έρευνα, που πάντα τον ενδιέφερε. Στην αρχή, θέλοντας να αντικαταστήσει την ατμομηχανές του εργοστασίου με ηλεκτροκινητήρες, ασχολήθηκε με τη μελέτη των φαινομένων του ηλεκτρικού ρεύματος. Τότε ήταν που διατύπωσε τον γνωστό νόμο του Τζουλ, σύμφωνα με τον οποίο η θερμότητα που παράγεται σε ένα σύρμα ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογη της αντίστασής του και του τετραγώνου του ρεύματος που το διαρρέει. Από αυτό το αποτέλεσμα οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα δεν προέρχεται από το σύρμα, αλλά από το ηλεκτρικό ρεύμα. Η θερμότητα, επομένως, δεν είναι αποτέλεσμα της περιεκτικότητας ενός σώματος σε θερμιδικό, όπως είχε προτείνει ο Λαβουαζιέ, αλλά μια μορφή ενέργειας, όπως η μηχανική ή η ηλεκτρική.

Μετρήσεις στον καταρράκτη

Απεικόνιση της συσκευής του Joule σε χαλκογραφία της εποχής

Οι ιδέες του Τζουλ δεν έβρισκαν ανταπόκριση στην επιστημονική κοινότητα της εποχής του, κυρίως επειδή δεν είχε ούτε πανεπιστημιακή μόρφωση αλλά ούτε και επιστημονική θέση. Εξαίρεση σε αυτή την κατάσταση αποτελούσε ο Γουίλιαμ Τόμσον, ο γνωστός λόρδος Κέλβιν, ο οποίος είχε συναντηθεί αρκετές φορές με τον Τζουλ και είχε ακούσει με ενδιαφέρον τις ιδέες του τελευταίου. Μία από τις συναντήσεις τους είχε μάλιστα πραγματοποιηθεί στο Σαμονί, όπου ο Τόμσον είχε πάει για ορειβασία και ο Τζουλ για γαμήλιο ταξίδι. Εκεί αποφάσισαν να κάνουν ένα πείραμα για να ελέγξουν τη βασιμότητα των ιδεών του Τζουλ, μετρώντας τη θερμοκρασία του νερού στην κορυφή και στη βάση του καταρράκτη Αρπενάζ (Αrpenaz).

Ο λόγος είναι ότι, σύμφωνα με τις ιδέες του Τζουλ, η δυναμική ενέργεια του νερού στην κορυφή της υδατόπτωσης μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια στη βάση της, οπότε η θερμοκρασία εκεί θα έπρεπε να είναι υψηλότερη από ό,τι στην κορυφή. Υπενθυμίζω ότι κάτι παρόμοιο συμβαίνει στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια, όπου η δυναμική ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Δυστυχώς, παρ΄ όλο που η υψομετρική διαφορά αυτού του καταρράκτη είναι 270 μέτρα, και άρα σημαντική, η θερμοκρασία στη βάση ήταν δύσκολο να μετρηθεί, λόγω της μικρής παροχής (1 κ.μ. ανά δευτερόλεπτο) και της συνακόλουθης έντονα ακανόνιστης ροής του νερού. Ετσι αυτό το πείραμα των ΤζουλΤόμσον δεν έδωσε αξιοποιήσιμα αποτελέσματα. Αξίζει να σημειωθεί ότι μεταγενέστερα έγινε ένα αντίστοιχο πείραμα στους καταρράκτες του Νιαγάρα, που έχουν υψομετρική διαφορά μόνο 53 μέτρα αλλά παροχή 3.000 κ.μ. ανά δευτερόλεπτο, και μετρήθηκε διαφορά θερμοκρασίας ίση με 1,5 βαθμούς Κελσίου.

Το ευφυές πείραμα

Η συσκευή του Joule

Για να μετρήσει με ακρίβεια την αναλογία μηχανικής προς θερμική ενέργεια, αυτό που σήμερα ονομάζουμε μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας , ο Τζουλ επινόησε μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πειραματικές διατάξεις. Αυτή αποτελείται από ένα θερμικά μονωμένο κυλινδρικό δοχείο, γεμάτο με νερό, τοποθετημένο κατακόρυφα. Στο εσωτερικό του δοχείου περιστρέφεται μια φτερωτή ενώ στα τοιχώματα του δοχείου υπάρχουν σταθερά πτερύγια, στα διάκενα των πτερυγίων της φτερωτής. Στον άξονα της φτερωτής είναι τυλιγμένος ένας σπάγκος, στην άλλη άκρη του οποίου είναι δεμένο ένα βάρος. Αν αφήσουμε το βάρος να πέσει από ένα ορισμένο ύψος, ο σπάγκος περιστρέφει τη φτερωτή έως ότου το βάρος φτάσει στο έδαφος. Τότε η δυναμική ενέργεια του βάρους έχει μετατραπεί σε θερμότητα, λόγω τριβής μεταξύ των μορίων του νερού, η οποία έχει ανεβάσει τη θερμοκρασία του νερού στο δοχείο.

Ο Τζουλ μετρούσε τη θερμοκρασία του νερού πριν και μετά το πείραμα και υπολόγιζε στη συνέχεια πόσες θερμίδες είχαν προστεθεί στο νερό, από τη γνωστή σχέση της θερμιδομετρίας Q = mc Δ Τ, όπου m η μάζα του νερού, Δ Τ η μεταβολή της θερμοκρασίας και c η ειδική θερμότητα του νερού, που ισούται με 1. Στη συνέχεια εξίσωνε τη θερμότητα Q, μετρημένη σε θερμίδες, με τη δυναμική ενέργεια του βάρους μετρημένη στις μονάδες ενέργειας εκείνης της εποχής, και υπολόγιζε το πηλίκο των δύο αριθμών. Η δυναμική ενέργεια, W, είναι ίση με Μgh, όπου Μ η μάζα του βάρους, h το ύψος πτώσης και g η επιτάχυνση της βαρύτητας, που στο σημερινό σύστημα μονάδων ισούται με 10. Επειδή η μάζα του βάρους και το ύψος πτώσης μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια, είναι φανερό ότι η ακρίβεια του υπολογισμού του μηχανικού ισοδύναμου της θερμότητας απαιτούσε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού.

Με το πιο εξελιγμένο από τα πειράματά του ο Τζουλ μπόρεσε να υπολογίσει ότι 1 θερμίδα ισούται με 4,16 joule. Το παραπάνω αποτέλεσμα είναι πάρα πολύ κοντά στην τιμή του ισοδυνάμου της θερμότητας που δεχόμαστε σήμερα, 4,19 joule ανά θερμίδα. Το πείραμα του Τζουλ ήταν η πρώτη αδιαμφισβήτητη πειραματική απόδειξη της αρχής διατήρησης της ενέργειας, η οποία αποτελεί ένα από τα θεμέλια της σημερινής Φυσικής. Για τον λόγο αυτόν η μονάδα ενέργειας του πλέον διαδεδομένου σήμερα συστήματος φυσικών μονάδων έχει ονομασθεί joule, προς τιμήν του μεγάλου ερασιτέχνη φυσικού.

Ο Χάρης Βάρβογλης καθηγητής

Αναδημοσιευση Απο Βημα