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James Prescott Joule एक अंग्रेजी भौतिकविद्, गणितज्ञ और ब्रूवर थे, जिनका जन्म Salford, Lancashire में हुआ था। Joule ने ऊष्मा की प्रकृति का अध्ययन किया और यांत्रिक कार्य से इसके संबंध की खोज की (ऊर्जा देखें)। इससे ऊर्जा के संरक्षण का नियम बना, जो बदले में थर्मोडायनामिक्स के प्रथम नियम के विकास की ओर ले गया। ऊर्जा की SI व्युत्पन्न इकाई, joule, का नाम उनके नाम पर रखा गया है।
उन्होंने Lord Kelvin के साथ एक पूर्ण थर्मोडायनामिक तापमान पैमाना विकसित करने के लिए काम किया, जिसे Kelvin पैमाना कहा गया। Joule ने चुंबकविकर्षण के अवलोकन भी किए, और उन्हें एक प्रतिरोधक के माध्यम से करंट और उत्पन्न ऊष्मा के बीच संबंध मिला, जिसे Joule का प्रथम नियम भी कहा जाता है। ऊर्जा परिवर्तन के बारे में उनके प्रयोग पहली बार 1843 में प्रकाशित हुए थे।
प्रारंभिक वर्ष
James Joule का जन्म 1818 में हुआ था, वह Benjamin Joule 1784–1858 के पुत्र थे, एक संपन्न ब्रूवर, और उनकी पत्नी, Alice Prescott, Salford में New Bailey Street पर। Joule को युवा व्यक्ति के रूप में प्रसिद्ध वैज्ञानिक John Dalton द्वारा ट्यूटर किया गया था और वह रसायनज्ञ William Henry और Manchester के इंजीनियरों Peter Ewart और Eaton Hodgkinson से दृढ़ रूप से प्रभावित थे। वह विद्युत से मोहित थे, और उन्होंने और उनके भाई ने एक दूसरे को और परिवार के नौकरों को विद्युत झटके देकर प्रयोग किए।
एक वयस्क के रूप में, Joule ने ब्रूवरी का प्रबंधन किया। विज्ञान केवल एक गंभीर शौक था। लगभग 1840 के आसपास, उन्होंने ब्रूवरी के भाप इंजनों को नव निर्मित विद्युत मोटर से बदलने की व्यावहारिकता की जांच करना शुरू किया। इस विषय पर उनके पहले वैज्ञानिक पत्र William Sturgeon के Annals of Electricity को दिए गए। Joule, Sturgeon और अन्य द्वारा स्थापित London Electrical Society के सदस्य थे।
आंशिक रूप से एक व्यवसायी की इच्छा से विकल्प के अर्थशास्त्र को परिमाणित करने के लिए, और आंशिक रूप से अपनी वैज्ञानिक जिज्ञासा से प्रेरित होकर, वह यह निर्धारित करने के लिए निकल पड़े कि कौन सा प्राइम मूवर अधिक दक्ष था। उन्होंने 1841 में Joule का प्रथम नियम खोजा, कि किसी भी वोल्टिक करंट की उचित क्रिया द्वारा उत्पन्न ऊष्मा उस करंट की तीव्रता के वर्ग के समानुपाती है, जिसे वह अनुभव करता है उस चालकता के प्रतिरोध से गुणा किया जाता है। वह इस बात को समझने के लिए आगे बढ़े कि भाप इंजन में एक पाउंड कोयला जलाना एक महंगे पाउंड जस्ता को विद्युत बैटरी में खपत करने की तुलना में अधिक किफायती था। Joule ने वैकल्पिक विधियों के उत्पादन को एक सामान्य मानक में कब्जा किया, एक पाउंड वजन वाले द्रव्यमान को एक फुट की ऊंचाई तक उठाने की क्षमता, foot-pound।
हालांकि, Joule की रुचि संकीर्ण वित्तीय प्रश्न से विचलित हुई कि किसी दिए गए स्रोत से कितना काम निकाला जा सकता है, जिससे वह ऊर्जा की परिवर्तनीयता के बारे में अनुमान लगाने लगे। 1843 में उन्होंने प्रयोगों के परिणाम प्रकाशित किए जो दिखाते थे कि 1841 में परिमाणित किए गए ताप प्रभाव चालक में ऊष्मा की पीढ़ी के कारण थे और उपकरण के किसी अन्य हिस्से से इसका स्थानांतरण नहीं था। यह कैलोरिक सिद्धांत के लिए सीधी चुनौती थी जो यह मानता था कि ऊष्मा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है। कैलोरिक सिद्धांत ने ऊष्मा के विज्ञान में सोच पर 1783 में Antoine Lavoisier द्वारा पेश किए जाने के बाद से प्रभुत्व जमाया है। Lavoisier की प्रतिष्ठा और 1824 से Sadi Carnot के कैलोरिक सिद्धांत की व्यावहारिक सफलता ने सुनिश्चित किया कि युवा Joule, न तो विश्वविद्यालय या इंजीनियरिंग पेशे के बाहर काम करते हुए, एक कठिन रास्ते के सामने था। कैलोरिक सिद्धांत के समर्थक आसानी से Peltier–Seebeck प्रभाव की समरूपता की ओर इशारा करते थे यह दावा करने के लिए कि ऊष्मा और करंट कम से कम लगभग, एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में परिवर्तनीय थे।
ऊष्मा की यांत्रिक समतुल्यता
अपनी विद्युत मोटर के साथ आगे के प्रयोगों और मापन से Joule ने ऊष्मा की यांत्रिक समतुल्यता का अनुमान लगाया कि काम के प्रति कैलोरी 4.1868 joule एक ग्राम पानी के तापमान को एक Kelvin तक बढ़ाने के लिए। उन्होंने अपने परिणाम अगस्त 1843 में Cork में ब्रिटिश एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस के रासायनिक खंड की बैठक में घोषित किए और उन्हें मौन से मिला।
Joule निडर थे और काम को ऊष्मा में परिवर्तन का एक विशुद्ध यांत्रिक प्रदर्शन करना शुरू किया। पानी को एक छिद्रित सिलिंडर के माध्यम से मजबूर करके, वह तरल के हल्के श्यान ताप को माप सकते थे। उन्हें प्रति ब्रिटिश थर्मल यूनिट 770 foot-pounds force (4,140 J/Cal) की यांत्रिक समतुल्यता प्राप्त हुई। यह तथ्य कि विद्युत और विशुद्ध यांत्रिक दोनों साधनों से प्राप्त मान कम से कम एक परिमाण के क्रम में समझौते में थे, Joule के लिए काम को ऊष्मा में परिवर्तन की वास्तविकता का सम्मोहक प्रमाण था।
जहां भी यांत्रिक बल खर्च किया जाता है, ऊष्मा का एक सटीक समतुल्य हमेशा प्राप्त होता है।
Joule अब एक तीसरे मार्ग की कोशिश की। उन्होंने गैस को संपीड़ित करने में किए गए कार्य के विरुद्ध उत्पन्न ऊष्मा को मापा। उन्हें प्रति ब्रिटिश थर्मल यूनिट 798 foot-pounds force (4,290 J/Cal) की यांत्रिक समतुल्यता प्राप्त हुई। कई तरीकों से, यह प्रयोग Joule की आलोचना के लिए सबसे आसान लक्ष्य प्रदान करता था लेकिन Joule ने चतुर प्रयोग द्वारा प्रत्याशित आपत्तियों का निपटान किया। Joule ने 20 जून 1844 को Royal Society को अपना पत्र पढ़ा, लेकिन उनका पत्र Royal Society द्वारा प्रकाशन के लिए अस्वीकृत कर दिया गया और उन्हें 1845 में Philosophical Magazine में प्रकाशित करने के लिए संतुष्ट होना पड़ा। पत्र में वह Carnot और Émile Clapeyron के कैलोरिक तर्क को खारिज करने में स्पष्ट था, एक अस्वीकृति आंशिक रूप से धार्मिक रूप से संचालित:
मेरी अवधारणा है कि यह सिद्धांत ... दर्शन के मान्य सिद्धांतों के विरुद्ध है क्योंकि यह इस निष्कर्ष की ओर ले जाता है कि vis viva को उपकरण के अनुचित प्रबंधन द्वारा नष्ट किया जा सकता है: इस प्रकार श्री Clapeyron का अनुमान है कि 'आग का तापमान बॉयलर से 1000 °C से 2000 °C अधिक है इसलिए भट्टी से बॉयलर तक ऊष्मा के मार्ग में vis viva का एक विशाल नुकसान है।' यह विश्वास करते हुए कि विनाश की शक्ति केवल निर्माता के पास है मैं पुष्टि करता हूं ... कि कोई भी सिद्धांत जो, जब पूरी तरह से किया जाता है, बल के विनाश की मांग करता है, आवश्यक रूप से गलत है।
Joule यहां vis viva ऊर्जा की भाषा अपनाता है, संभवतः क्योंकि Hodgkinson ने अप्रैल 1844 में Literary and Philosophical Society को Ewart के On the measure of moving force की समीक्षा पढ़ी थी।
Joule ने अपने 1844 के पत्र में लिखा:
... एक मैग्नेटो-इलेक्ट्रिक मशीन को घुमाने में लगाया गया यांत्रिक शक्ति प्रेरण के करंट के इसकी कुंडली के माध्यम से मार्ग में विकसित ऊष्मा में परिवर्तित होती है; और, दूसरी ओर, विद्युत चुम्बकीय इंजन की प्रेरक शक्ति उस ऊष्मा की कीमत पर प्राप्त होती है जो बैटरी के रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण होती है जिससे इसे चलाया जाता है।
जून 1845 में, Joule ने Cambridge में ब्रिटिश एसोसिएशन की बैठक में अपना पत्र On the Mechanical Equivalent of Heat पढ़ा। इस कार्य में, उन्होंने अपने सर्वाधिक ज्ञात प्रयोग की सूचना दी, जिसमें एक गिरते हुए वजन का उपयोग शामिल था, जिसमें गुरुत्वाकर्षण यांत्रिक कार्य करता है, एक इंसुलेटेड पानी की बैरल में एक पैडल व्हील को घुमाने के लिए जिससे तापमान में वृद्धि हुई। उन्होंने अब प्रति ब्रिटिश थर्मल यूनिट 819 foot-pounds force (4,404 J/Cal) की यांत्रिक समतुल्यता का अनुमान लगाया। उन्होंने सितंबर 1845 में Philosophical Magazine को एक पत्र लिखा जो अपने प्रयोग का वर्णन करता था।
1850 में, Joule ने प्रति ब्रिटिश थर्मल यूनिट 772.692 foot-pounds force (4,150 J/Cal) की एक परिष्कृत माप प्रकाशित की, बीसवीं सदी के अनुमानों के करीब।
स्वागत और प्राथमिकता
Joule के काम के प्रति प्रारंभिक प्रतिरोध का अधिकांश भाग अत्यंत सटीक मापन पर इसकी निर्भरता से उत्पन्न हुआ। उन्होंने यह दावा किया कि तापमान को फारेनहाइट के 1⁄200 (3 mK) के भीतर माप सकते हैं। ऐसी सटीकता निश्चित रूप से समसामयिक प्रायोगिक भौतिकी में असामान्य थी लेकिन उनके संदेहकर्ताओं ने ब्रूइंग की कला में उनके अनुभव और इसकी व्यावहारिक तकनीकों तक उनकी पहुंच को नजरअंदाज किया हो सकता है। वह वैज्ञानिक उपकरण-निर्माता John Benjamin Dancer द्वारा भी कुशलतापूर्वक समर्थित थे। Joule के प्रयोग Rudolf Clausius के सैद्धांतिक कार्य को पूरक करते थे, जिन्हें कुछ लोग ऊर्जा अवधारणा का सहआविष्कारक माना जाता है।
Joule एक गतिज सिद्धांत का प्रस्ताव दे रहे थे, वह ऊष्मा को एक रोटेशनल, न कि अनुवादात्मक, गतिज ऊर्जा का रूप मानता था, और इसके लिए एक वैचारिक छलांग की आवश्यकता थी: यदि ऊष्मा आणविक गति का एक रूप था, तो अणुओं की गति धीरे-धीरे क्यों नहीं मर जाती? Joule के विचारों को यह विश्वास करने की आवश्यकता थी कि अणुओं के टकराव पूरी तरह से लोचदार थे। हमें यह भी याद रखना चाहिए कि परमाणु और अणुओं का अस्तित्व अगले 50 वर्षों के लिए व्यापक रूप से स्वीकृत नहीं था।
हालांकि आज कैलोरिक सिद्धांत के आकर्षण को समझना मुश्किल हो सकता है, लेकिन उस समय ऐसा लगता था कि इसके कुछ स्पष्ट लाभ हैं। Carnot का ताप इंजन का सफल सिद्धांत भी कैलोरिक धारणा पर आधारित था, और केवल बाद में Lord Kelvin ने साबित किया कि Carnot की गणित कैलोरिक तरल को मान लिए बिना समान रूप से वैध थी।
हालांकि, जर्मनी में, Hermann Helmholtz को Joule के काम और Julius Robert von Mayer के समान 1842 के काम दोनों के बारे में जानकारी मिली। हालांकि दोनों पुरुष अपने संबंधित प्रकाशनों के बाद से उपेक्षित रहे हैं, लेकिन Helmholtz की 1847 की ऊर्जा संरक्षण की निर्णायक घोषणा ने दोनों को श्रेय दिया।
साथ ही 1847 में, Oxford में ब्रिटिश एसोसिएशन में Joule की एक अन्य प्रस्तुति में George Gabriel Stokes, Michael Faraday, और प्रतिभाशाली और मितव्ययी William Thomson, बाद में Lord Kelvin बनने वाले, जिन्हें अभी-अभी University of Glasgow में प्राकृतिक दर्शन का प्रोफेसर नियुक्त किया गया था, ने भाग लिया। Stokes "एक Joulite होने के लिए इच्छुक" था और Faraday "
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