جیمز ژول: بررسی زندگی علمی و شخصی

انرژی، مفهومی آشنا برای همگان، نقشی حیاتی در زندگی بشر ایفا می‌کند. از تامین روشنایی خانه‌ها تا به حرکت درآوردن وسایل نقلیه و چرخاندن چرخ‌های کارخانه‌ها، انرژی در تمام جنبه‌های زندگی ما حضور دارد. با این وجود، درک دقیق و علمی مفهوم انرژی و قوانین حاکم بر آن، تا اواسط قرن نوزدهم میلادی همچنان مبهم بود. در این میان، جیمز پرسکات ژول، دانشمند برجسته بریتانیایی، با تحقیقات و آزمایش‌های دقیق خود، نقشی بی‌بدیل در شکل‌دهی و توسعه مفهوم انرژی ایفا کرد.

ژول در سال ۱۸۱۸ در خانواده‌ای ثروتمند در سالفورد انگلستان متولد شد. به دلیل ناهنجاری خفیف در ستون فقرات، تحصیلات خود را در منزل و زیر نظر معلمان خصوصی گذراند. یکی از این معلمان، جان دالتون، بنیانگذار نظریه اتمی، تاثیر عمیقی بر ژول گذاشت و او را با اهمیت ریاضیات در علم و اشتیاق به تحقیق آشنا کرد.

محیط صنعتی منچستر و سالفورد در آن زمان، بستر مناسبی برای رشد و شکوفایی استعدادهای علمی ژول فراهم کرد. این شهرها که به عنوان “شهر شوک” انقلاب صنعتی شناخته می‌شدند، شاهد بیشترین و سریع‌ترین تغییرات و تحولات مرتبط با صنعتی شدن بودند. تمرکز بالای فعالیت‌های صنعتی و نوآوری‌ها در این منطقه، ژول را بر آن داشت تا به تحقیق در زمینه انرژی و تبدیل آن بپردازد.

در دهه‌های ابتدایی قرن نوزدهم، موتورهای بخار به عنوان نمادی از پیشرفت صنعتی، نقش کلیدی در توسعه حمل‌ونقل، صنعت و سایر جنبه‌های زندگی ایفا می‌کردند. با این حال، درک علمی از چگونگی عملکرد این موتورها و قوانین حاکم بر آنها، هنوز محدود بود. ژول با کنکاش در این زمینه و انجام آزمایش‌های دقیق و متعدد، به تدریج نظریات خود را در مورد انرژی و تبدیل آن شکل داد.

این مقاله شرح مختصری از منشأ و توسعه ایده‌های جیمز ژول در فیزیک را ارائه می‌دهد. اهمیت علمی، فناوری و اجتماعی کار او توضیح داده شده و نشان داده می‌شود که او یک فیزیکدان نابغه تمام عیار بوده است.

قبل از پرداختن به زندگی نامه جیمز ژول پیشنهاد می کنیم مقاله ما در رابطه با دانشمند بزرگ ترمودینامیک، بررسی زندگی سدی کارنو: بنیان گذار ترمودینامیک را مطالعه کنید و پس از خواندن این مقاله چیشنهاد می کنیم مقاله ما با عنوان رادولف کلاوزیوس: نظریه پرداز بزرگ ترمودینامیک را نیز مطالعه کنید تا دید وسیعتری نسبت به ترمودینامیک پیدا کنید.

مقدمه

همه با کلمه انرژی آشنا هستند. اگر انرژی زیادی داشته باشید، می‌توانید کارهای زیادی انجام دهید. و همه می‌دانند که انرژی در سطح ملی و بین‌المللی مهم است. زغال سنگ، گاز، نفت و شکافت هسته‌ای منابع انرژی هستند؛ برق آن را منتقل می‌کند. بدون انرژی هیچ چیز نمی‌تواند زنده باشد، هیچ چیز نمی‌تواند حرکت کند، هیچ کاری نمی‌تواند انجام شود. و با این حال، تنها در اواسط قرن نوزدهم بود که ایده یا مفهوم انرژی به طور واضح مورد توجه قرار گرفت و پیوندهای بین اشکال مختلف انرژی و نحوه عملکرد آن مشخص شد. فردی که بیش از هر کس دیگری مسئول این امر بود، جیمز پرسکات ژول بود.

جیمر پرسکات ژول در سال ۱۸۱۸ در سالفورد و در لنکاشایر به دنیا آمد. او پسری از یک خانواده ثروتمند بود.

ژول دچار ناهنجاری خفیف در ستون فقرات بود و به همین دلیل، به همراه برادر بزرگترش بنجامین، قبل از تحصیل به مدت سه سال زیر نظر جان دالتون، بنیانگذار نظریه اتمی علمی، توسط معلمان خصوصی آموزش دیدند. دالتون، هواشناس و شیمی‌دان، معلمی فداکار در ریاضیات و «فلسفه طبیعی» بود. او ژول را از اهمیت ریاضیات در علم آگاه کرد و در عین حال، اشتیاقی پایدار به تحقیقات علمی را در شاگرد جوان خود برانگیخت.

تأثیر محیط منچستر و سالفورد بر توسعه صنعتی

محیط منچستر و سالفورد یکی دیگر از عوامل شکل‌دهنده و مؤثر در مسیر توسعه صنعتی بود.

منچستر “شهر شوک” انقلاب صنعتی بود. منچستر شهری بود که بیشترین و سریع‌ترین تغییرات و تحولات مرتبط با صنعتی شدن در آنجا رخ داد. به عبارت دیگر، منچستر ویترین و نمادی از تمام جنبه‌های انقلاب صنعتی، چه مثبت و چه منفی، بود. بسیاری از پدیده‌های مرتبط با صنعتی شدن، از جمله اختراعات، کارخانه‌ها، و مسائل اجتماعی، در منچستر آغاز شدند و از آنجا گسترش یافتند.

در مرکز و قلب تمام این تحولات صنعتی، دو چیز قرار داشت:

• قدرت (به معنای انرژی، چه بخار، چه آب، و غیره) و
• استفاده‌ی بهینه از منابع طبیعی و انسانی.

انقلاب صنعتی اساساً بر مبنای استفاده از منابع انرژی جدید و کارآمدتر و همچنین بهره‌برداری از نیروی کار انسانی و منابع طبیعی برای تولید انبوه استوار بود.

اساسی‌ترین و مهم‌ترین منبع، انرژی بود. در آن زمان، دسترسی به منابع انرژی و بهبود روش‌های تولید و استفاده از آن، یک مسئله‌ی فوری و حیاتی برای پیشرفت صنعتی بود. به همین دلیل، تلاش زیادی برای توسعه‌ی موتورهای بخار، استفاده از آب برای تولید برق، و سایر منابع انرژی صورت گرفت.

منچستر و سالفورد به دلیل تمرکز بالای فعالیت‌های صنعتی و نوآوری‌ها، نقش بسیار مهمی در انقلاب صنعتی ایفا کردند. در این میان، دسترسی به منابع انرژی و بهبود کارایی آن‌ها، به عنوان یک عامل کلیدی و حیاتی در نظر گرفته می‌شد.

تا دهه ۱۸۴۰، کارخانه‌های بزرگ پنبه بیشتر با نیروی آب کار می‌کردند و چنان فشار اقتصادی بر صنعت وجود داشت که هر قطره آبی که از آخرین اینچ می‌افتاد، باید به حساب مفیدی تبدیل می‌شد.

در مورد موتورهای بخار که به طور فزاینده‌ای مهم بودند، آنها به طور سیستماتیک بهبود یافتند تا بتوانند ماشین‌های بیشتر و بیشتری را با همان مقدار زغال سنگ سوزانده شده به حرکت درآورند. مهندسانی که مسئول صنایع پنبه و صنایع وابسته بودند، سیستم مکانیکی خود را بر اساس آنچه که توسط لایب‌نیز پیشگام شده بود، در مقابل آنچه نیوتن بود، توسعه داده بودند.

به عبارت دیگر، این مهندسان به جای پیروی از اصول مکانیکی نیوتن، از اصول و ایده‌های لایب‌نیتس در سیستم مکانیکی خود استفاده کردند.

برای درک بهتر این موضوع، لازم است بدانیم که لایب‌نیتس و نیوتن هر دو از چهره‌های برجسته در توسعه علم مکانیک بودند، اما دیدگاه‌ها و رویکردهای متفاوتی داشتند. برای مثال، در حالی که نیوتن بیشتر بر مفهوم نیرو و قوانین حرکت تمرکز داشت، لایب‌نیتس بر مفهوم انرژی و اصول پایستگی آن تأکید می‌کرد.

روش های اندازه گیری کار و انرژی

دو روش رایج در آن زمان برای اندازه‌گیری کار و انرژی وجود داشت:

1. Workweight multiplied by height: این روش، کار را به صورت وزن جسم ضربدر ارتفاعی که جسم بالا برده می‌شود، محاسبه می‌کرد. این در واقع معادل با تغییر انرژی پتانسیل گرانشی است. اگر جسمی را بلند کنیم، کار انجام شده برابر است با وزن جسم ضربدر ارتفاعی که آن را بالا برده‌ایم.
2. Vis viva, or living force: این عبارت به معنای “نیروی زنده” است و توسط لایب‌نیتس مطرح شد. این نیرو با حاصلضرب جرم جسم در مربع سرعت آن محاسبه می‌شد (mv²). این مفهوم، پیش‌درآمدی بر مفهوم انرژی جنبشی بود.

ارتباط این دو روش اندازه‌گیری (کار-وزن و vis viva) با مفاهیم مدرن انرژی پتانسیل و جنبشی واضح است. همانطور که گفته شد، کار-وزن مستقیماً با تغییر انرژی پتانسیل گرانشی مرتبط است، و vis viva نیز با انرژی جنبشی (که امروزه می‌دانیم برابر است با ½mv²) مرتبط است.

اگرچه ارتباط بین این اندازه‌گیری‌های قدیمی و مفاهیم انرژی پتانسیل و جنبشی واضح است، اما نامگذاری و تعریف دقیق انرژی پتانسیل و جنبشی به عنوان مفاهیم علمی مجزا، تا سال 1853 و کارهای مهندس اسکاتلندی، ویلیام جان ماکِرن رانکین، صورت نگرفت. به عبارت دیگر، مهندسان قبل از رانکین از این مفاهیم به صورت ضمنی استفاده می‌کردند، اما رانکین بود که این مفاهیم را به طور رسمی و دقیق تعریف و نامگذاری کرد.

بنابراین مهندسان اولیه، حتی قبل از تعریف رسمی انرژی پتانسیل و جنبشی، از مفاهیمی مشابه برای اندازه‌گیری کار و انرژی استفاده می‌کردند. آنها از “کار-وزن” (معادل تغییر انرژی پتانسیل) و “vis viva” (مرتبط با انرژی جنبشی) استفاده می‌کردند، اما این مفاهیم تا زمان رانکین به طور کامل فرمول‌بندی و نامگذاری نشده بودند.

سیر تکاملی فناوری‌های بخار و الکتریکی

موتور بخار در قرن هجدهم اختراع شد، اما اوج کاربرد و گسترش آن در قرن نوزدهم بود. این اختراع به قدری با عصر ویکتوریا (دوره سلطنت ملکه ویکتوریا در بریتانیا) گره خورده بود که می‌توان گفت بیش از هر چیز دیگری، نمادی از آن دوره بود. موتور بخار نقش کلیدی در انقلاب صنعتی و توسعه‌ی حمل‌ونقل، صنعت و سایر جنبه‌های زندگی در عصر ویکتوریا داشت.

به همین ترتیب، فناوری‌های الکتریکی در قرن نوزدهم اختراع شدند، اما امروزه به عنصری جهانی و همه‌گیر در زندگی ما تبدیل شده‌اند. همانطور که موتور بخار نماد قرن نوزدهم بود، فناوری‌های الکتریکی نماد عصر حاضر هستند.

انقلاب الکتریکی با اختراع باتری توسط ولتا در سال ۱۸۰۰ آغاز شد. باتری اولین منبع جریان الکتریکی پایدار بود و راه را برای بسیاری از اختراعات بعدی هموار کرد.

چند کشف مهم در اوایل قرن نوزدهم اتفاق افتاد که پایه‌های فناوری الکتریکی را بنا نهادند:

• ارستد (Oersted): نشان داد که جریان الکتریکی می‌تواند عقربه‌ی قطب‌نما را منحرف کند، که این کشف ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس را نشان داد.
• استورجن (Sturgeon): آهنربای الکتریکی را اختراع کرد که با عبور جریان از سیم پیچیده شده به دور یک هسته آهنی نرم، خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند.
• فارادی (Faraday): کشف کرد که تغییر میدان مغناطیسی می‌تواند در یک سیم جریان الکتریکی ایجاد کند. این اصل اساس کار ژنراتورها و ترانسفورماتورها است.

تا سال ۱۸۳۱، عناصر اصلی علم و فناوری الکتریکی پایه‌گذاری شده بود. این کشف‌ها و اختراعات راه را برای توسعه‌ی موتورهای الکتریکی، ژنراتورها، و سایر دستگاه‌های الکتریکی هموار کردند.

بلافاصله پس از آن، موتور الکتریکی و موتور مغناطیسی (مگنتو) اختراع شدند.

در آن زمان تصور می‌شد که مگنتو مستقیماً مغناطیس را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. اگرچه این تصور تا حدی درست است، اما مکانیسم دقیق تبدیل انرژی پیچیده‌تر است و شامل تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی نیز می‌شود.

مزایای بالقوه موتورهای الکتریکی اولیه

موتور الکتریکی در مقایسه با موتور بخار، تمیز، جمع‌وجور و قادر به ایجاد چرخش مستقیم بدون نیاز به میل‌لنگ بود. اینها مزایای آشکاری نسبت به موتور بخار بزرگ و اغلب کثیف بودند.

تصور می‌شد که نیروی جاذبه بین آهنرباهای الکتریکی تشکیل‌دهنده موتور، تحت تأثیر سرعت چرخش قرار نمی‌گیرد. بنابراین، موتور پس از شروع به کار، به طور مداوم شتاب می‌گیرد تا زمانی که به سرعت ثابتی برسد که توسط اصطکاک، مقاومت هوا و نیروی ضد محرکه (back EMF) تعیین می‌شود.

اصطکاک و مقاومت هوا را می‌توان تا حد زیادی کاهش داد و انتظار می‌رفت که نیروی ضد محرکه نیز کاملاً حذف شود. نیروی ضد محرکه نیرویی است که در موتور الکتریکی در جهت مخالف چرخش ایجاد می‌شود و با افزایش سرعت موتور، افزایش می‌یابد.

بنابراین، از نظر تئوری، یک موتور الکتریکی که به درستی طراحی و ساخته شده باشد، می‌تواند به سرعت بسیار زیادی برسد و سرعت بالا نیز به معنای قدرت بسیار زیاد است.

به همین دلیل، در دهه ۱۸۳۰، شور و شوق زیادی نسبت به موتورهای الکتریکی در اروپا و آمریکا وجود داشت. مردم فکر می‌کردند که این ماشینی است که می‌تواند جایگزین موتور بخار حجیم و کثیف شود.

در سال ۱۸۴۱، اولین لوکوموتیو الکتریکی باتری‌دار در خط آهن جدید گلاسکو-ادینبورگ به حرکت درآمد. این لوکوموتیو با سرعت ۴ مایل در ساعت، مسافتی بیش از یک مایل را طی کرد. این رویداد نشان‌دهنده‌ی اولین تلاش‌ها برای استفاده از موتورهای الکتریکی در حمل‌ونقل بود، اگرچه سرعت و مسافت طی شده در آن زمان محدود بود و با انتظارات اولیه فاصله زیادی داشت.

رویکرد علمی و سیستماتیک جیمز ژول در توسعه موتور الکتریکی

ژول جوان نیز مانند بسیاری از افراد دیگر در آن زمان، تحت تأثیر شور و شوق مربوط به موتورهای الکتریکی قرار گرفته بود.

برخلاف بسیاری از مخترعان دیگر، رویکرد جیمز ژول به بهبود موتور الکتریکی، علمی و سیستماتیک بود. او به جای آزمون و خطا، از روش‌های علمی و منظم برای توسعه موتور استفاده می‌کرد.

جیمز ژول ابتدا بهترین طراحی را برای موتور الکتریکی مشخص کرد و سپس آن را به طور عملی آزمایش کرد. در طول آزمایش، او پارامترهای کلیدی موتور را در سرعت‌های مختلف به دقت اندازه‌گیری می‌کرد. این پارامترها می‌توانستند شامل سرعت، جریان، ولتاژ، و توان خروجی باشند.

جریانی که موتور را به حرکت در می‌آورد، در مدار نیز گرما تولید می‌کند. گرما در ماشین‌ها نشان‌دهنده‌ی اصطکاک و اتلاف توان است. هرچه گرمای بیشتری تولید شود، انرژی بیشتری به هدر می‌رود و راندمان موتور پایین‌تر است.

ژول گرمای تولید شده را اندازه‌گیری کرد و قانون ریاضی آن را کشف کرد. این قانون بیان می‌کند که گرما (H) با مقاومت (R) و مربع جریان (I²) رابطه مستقیم دارد. به عبارت دیگر، H = I²R. این قانون امروزه به عنوان قانون ژول شناخته می‌شود و یکی از اصول مهم در علم الکتریسیته است.

آزمایش‌های جیمز ژول بر روی موتور الکتریکی و مقایسه‌ی آن با موتور بخار

ژول “duty” (بازده) موتور را در سرعت‌های مختلف، جریان‌های مختلف و آرایش‌های مختلف باتری اندازه‌گیری کرد.

معیاری بود که توسط جیمز وات معرفی شد. این معیار، مقدار کاری بود که یک موتور در ازای مصرف مقدار مشخصی از سوخت انجام می‌داد. به عبارت دیگر، نشان می‌داد که موتور چقدر کارآمد است.

جیمز ژول دریافت که کار انجام شده توسط موتور در واحد زمان (توان) با افزایش سرعت به حداکثر می‌رسد و جریانی که موتور را می‌چرخاند، زمانی که موتور ثابت است (حرکتی ندارد) به نصف مقدار خود می‌رسد.

پس از رسیدن به توان ماکزیمم، توان موتور کاهش می‌یابد و duty (بازده) با نزدیک شدن موتور به سرعتی که در آن جریان به صفر می‌رسد، تمایل به افزایش تا حداکثر مقدار خود دارد. به عبارت دیگر، در سرعت‌های بالا، اگرچه توان خروجی کم می‌شود، اما بازده موتور (به دلیل کاهش مصرف انرژی) افزایش می‌یابد.

بازده، پارامتر حیاتی بود که موتورها بر اساس آن قضاوت و مقایسه می‌شدند. موتوری که duty بالاتری داشت، کارآمدتر بود.

بازده موتور ژول در حدود توان ماکزیمم و با بهترین باتری موجود، تنها یک پنجم بازده یک موتور بخار کورنیش خوب بود. موتورهای بخار کورنیش در آن زمان از بهترین و کارآمدترین موتورهای بخار بودند.

موتور بخار زغال سنگ را در کوره خود می‌سوزاند، در حالی که باتری، روی را مصرف یا “می‌سوزاند” که بسیار گران‌تر از زغال سنگ بود. این نکته مهمی است. اگرچه موتور الکتریکی مزایایی داشت، اما هزینه بالای روی به عنوان سوخت، یکی از موانع اصلی برای رقابت آن با موتور بخار بود.

نتیجه‌گیری‌های جیمز ژول از تحقیقاتش روی موتورهای الکتریکی

ژول در سال ۱۸۴۰ به گفته خودش به “نظریه موتور الکترومغناطیسی” رسید. او نشان داده بود که یک موتور الکتریکی که با باتری کار می‌کند، نمی‌تواند با موتور بخار رقابت کند. این نتیجه‌گیری بر اساس آزمایش‌های قبلی او و مقایسه بازده موتور الکتریکی و موتور بخار بود.

اما تحقیقات ژول، علاوه بر این نتیجه‌گیری، سوالات بنیادی دیگری را نیز مطرح کرد.

مطالعات ژول روی باتری‌ها نشان داده بود که سوزاندن روی در اکسیژن، همان مقدار گرمایی را تولید می‌کند که همان وزن روی در یک باتری می‌تواند به صورت الکتریکی تولید کند. این مشاهده، سوالی را در ذهن ژول ایجاد کرد: آیا گرمای احتراق، همانطور که دیوی و برزلیوس ادعا می‌کردند، ماهیت الکتریکی دارد؟

شهود ژول به او می‌گفت که هرچه جریان، گرمای بیشتری تولید کند، موتور کار کمتری می‌تواند انجام دهد، و برعکس. بنابراین، آیا گرما و کار قابل تبدیل به یکدیگرند؟ این سوال مهمی بود که ژول را به فکر فرو برد.

شاید الکتریسیته فقط گرمای ناشی از واکنش شیمیایی (احتراق) در باتری را منتقل می‌کند؟ این فرضیه‌ای بود که ژول مطرح کرد.

جیمز ژول مشاهده کرد که الکتریسیته “عامل بزرگی برای حمل، آرایش و تبدیل گرمای شیمیایی” است.

این جمله ممکن است مبهم به نظر برسد، اما ژول از قبل تصمیم گرفته بود که گرما ماهیت مکانیکی دارد و او راهی برای اثبات این موضوع اندیشیده بود. این اشاره به آزمایش‌های بعدی ژول دارد که در آن‌ها به طور دقیق نشان داد که گرما و کار می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند و مقدار مشخصی از کار معادل مقدار مشخصی از گرما است. این کشف منجر به قانون پایستگی انرژی شد.

آزمایش‌های کلیدی جیمز ژول برای اثبات رابطه بین کار و گرما

اگر الکتریسیته صرفاً گرما را از باتری به مدار خارجی منتقل کند، در این صورت جایگزینی باتری با یک آهنربا (مگنتو) به عنوان مولد الکتریسیته، باید باعث خنک شدن جایی در مدار شود، زیرا دیگر هیچ واکنش شیمیایی یا احتراقی در کار نخواهد بود. بالاخره، گرما باید از جایی بیاید. این استدلال منطقی است. اگر گرما صرفاً از باتری می‌آمد، وقتی باتری حذف شود، دیگر منبعی برای گرما وجود نخواهد داشت و باید کاهش دما مشاهده شود.

ژول در یک سری آزمایش بسیار هوشمندانه و ماهرانه نشان داد که وقتی جریان توسط یک مگنتو تولید می‌شود، هیچ خنک شدنی در هیچ جای مدار وجود ندارد. در واقع، در همه جا گرما مطابق با قانون i²r (قانون ژول) تولید می‌شد.

این گرما فقط می‌توانست از کار انجام شده، از انرژی صرف شده برای چرخاندن مگنتو آمده باشد. هیچ تغییر دیگری وجود نداشت. این نکته بسیار مهم است. ژول نشان داد که گرمای تولید شده نمی‌تواند از جای دیگری آمده باشد، جز انرژی مکانیکی که برای چرخاندن مگنتو صرف شده است.

بنابراین، کار و گرما قابل تبدیل به یکدیگرند: جنبه‌های مختلف یک چیز واحد. این نتیجه‌گیری بسیار مهم است و اساس قانون پایستگی انرژی را تشکیل می‌دهد. ژول با این آزمایش‌ها نشان داد که کار مکانیکی می‌تواند به گرما تبدیل شود و بالعکس، و این دو صورت‌های مختلف انرژی هستند. این کشف یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی قرن نوزدهم بود.

تعیین دقیق “نرخ تبدیل” بین گرما و کار

قدم بعدی جیمز ژول، اندازه‌گیری “نرخ تبدیل” بین گرما و کار بود. او می‌خواست بداند که چه مقدار کار مکانیکی با چه مقدار گرما معادل است.

او کار انجام شده توسط وزنه‌های در حال سقوط که مگنتو را می‌چرخاندند، محاسبه کرد و گرمای تولید شده توسط جریان را اندازه‌گیری کرد. با مقایسه این دو کمیت، می‌توانست نرخ تبدیل بین کار و گرما را به دست آورد.

اما سوال مهم این بود که آیا این نرخ تبدیل در همه روش‌های مختلفی که کار به گرما و برعکس تبدیل می‌شود، یکسان است؟ آیا فرقی نمی‌کند که کار چگونه به گرما تبدیل شود، این نسبت همیشه ثابت خواهد بود؟

اولین آزمایش ژول برای بررسی این موضوع بسیار ساده بود. او با استفاده از یک پمپ هوا و یک استوانه فلزی محکم نشان داد که کار انجام شده برای فشرده کردن هوا در استوانه، تقریباً همان نسبتی با گرمای تولید شده دارد که در آزمایش اول (با مگنتو) داشت، حتی با وجود اینکه روش و مواد کاملاً متفاوت بودند. این آزمایش نشان داد که به نظر می‌رسد نرخ تبدیل بین کار و گرما مستقل از روش انجام آن است.

اما در یک جنبه، این دو آزمایش کاملاً قابل مقایسه نبودند.

تعیین دقیق معادل مکانیکی گرما و رفع ابهام در مورد تأثیر تغییر حجم گاز بر این اندازه‌گیری‌ها

در آزمایش اول (با مگنتو)، کار انجام می‌شد و گرما تولید می‌شد، و همین. در آزمایش دوم (با پمپ هوا)، کار انجام می‌شد، گرما تولید می‌شد و حجم هوا نیز تغییر می‌کرد.

شاید بخشی از کار انجام شده صرفاً برای تغییر حجم هوا شده باشد. اتم‌های هوا ممکن است برخی از خواص فنرهای کوچک را داشته باشند، و ژول قبلاً دریافته بود که فنرها هنگام فشرده شدن یا پیچاندن گرم نمی‌شوند. به عبارت دیگر، تغییر شکل فنر (مشابه تغییر حجم هوا) به خودی خود باعث تولید گرما نمی‌شود.

بنابراین، ژول برای رفع این ابهام، استوانه‌ای را با هوای فشرده پر کرد و آن را از طریق یک شیر به یک استوانه مشابه که تمام هوای آن تخلیه شده بود، متصل کرد. هر دو استوانه در یک ظرف پر از آب غوطه‌ور بودند.

جیمز ژول دریافت که وقتی شیر باز می‌شود و هوا به داخل فضای خالی هجوم می‌برد، دمای آب تغییر نمی‌کند. به عبارت دیگر، او نشان داد که وقتی هوا (یا هر گاز دیگری) بدون انجام کار، حجم خود را تغییر می‌دهد، هیچ گرمایی تولید یا جذب نمی‌شود. این آزمایش بسیار مهم بود، زیرا نشان داد که تغییر حجم گاز به تنهایی باعث تغییر دما نمی‌شود و بنابراین، در آزمایش‌های قبلی، گرمای تولید شده صرفاً ناشی از کار انجام شده برای فشرده کردن هوا بوده است.

بنابراین، ژول حق داشت فرض کند که کاری که برای فشرده کردن هوا انجام شده، به گرما تبدیل شده است.

اما ژول می‌دانست که نتیجه‌گیری او قطعی نیست، زیرا آزمایش دقیق نبود، و به سختی هم می‌توانست خیلی دقیق باشد. اندازه‌گیری تغییرات جزئی دما در آن زمان کار دشواری بود. با این حال، این آزمایش‌ها پایه‌ای برای آزمایش‌های دقیق‌تر بعدی او فراهم کردند.

آزمایش‌های دقیق‌تر جیمز ژول برای تعیین معادل مکانیکی گرما

آزمایش‌های بعدی ژول شامل یک چرخ پارویی کوچک و یک مخزن استوانه‌ای بود که مجهز به تیغه‌هایی بود که چرخ پارویی می‌توانست بین آن‌ها بچرخد. مخزن با آب پر شده بود و چرخ پارویی توسط وزنه‌های در حال سقوط به حرکت در می‌آمد.

کاری که چرخ پارویی برای غلبه بر کشش ویسکوز یا اصطکاک آب انجام می‌داد، به گرما تبدیل می‌شد و نتایج به دست آمده، آزمایش‌های قبلی او را تأیید می‌کرد. این آزمایش روش دقیق‌تری برای تبدیل کار مکانیکی به گرما بود.

مایعات دیگری که ژول استفاده کرد روغن اسپرم و جیوه بودند. این آزمایش‌ها با دقت و مراقبت فزاینده‌ای انجام شدند و همگی نتیجه یکسانی را برای مقدار تبدیل کار و گرما، در محدوده خطای آزمایشی، ارائه کردند: ۷۷۲ فوت پوند در هر واحد حرارتی بریتانیایی. این عدد، معادل مکانیکی گرما بود که ژول با دقت زیادی آن را اندازه‌گیری کرد.

دقت، مراقبت و تنوع نتایج آزمایشی برای ژول بسیار مهم بود، زیرا هیچ فرد مهمی به حرف‌های او گوش نمی‌داد. او یک محقق مستقل بود و در ابتدا کسی به نتایج او اهمیت نمی‌داد.

جیمز ژول در حال به چالش کشیدن اصل اساسی زیربنای نظریه‌های گرما بود، اصلی که بیان می‌کرد گرما همیشه پایدار است، نه می‌توان آن را ایجاد کرد و نه از بین برد. این اصل، که به عنوان قانون پایستگی گرما شناخته می‌شد، در آن زمان بسیار مورد قبول بود.

علم گرما به اعتبار این اصل وابسته تلقی می‌شد. بنابراین، یافته‌های ژول که نشان می‌داد گرما می‌تواند از کار مکانیکی ایجاد شود، با این باور رایج در تضاد بود و با مقاومت زیادی روبرو شد.

شناخت عمومی کار جیمز ژول و سخنرانی او در مورد اصل پایستگی انرژی

جان هراپات، سردبیر یک مجله راه‌آهن، دانشمندی آماتور بود که نظریه جنبشی گازها را احیا کرده بود. نظریه جنبشی گازها، گازها را مجموعه‌ای از ذرات در حال حرکت در نظر می‌گیرد.

هراپات در سال ۱۸۴۷ کتابی به نام “فیزیک ریاضی” منتشر کرد که در آن ایده‌های خود را مطرح و کار ژول را ستود. این اولین признание عمومی کار ژول بود. تا پیش از این، کارهای ژول چندان مورد توجه جامعه علمی قرار نگرفته بود.

ژول نیز با کمال میل برخی از ایده‌های هراپات را پذیرفت.

ایده اینکه گرمای احتراق ناشی از الکتریسیته است، کنار گذاشته شد و ژول پیشرفت قابل توجهی کرد وقتی سرعت یک اتم هیدروژن را در دمای اتاق با دقت قابل توجهی محاسبه کرد (۶۲۲۵ فوت در ثانیه). این محاسبه نشان داد که ژول درک عمیقی از نظریه جنبشی گازها و ارتباط آن با گرما داشت.

ژول پیشنهاد کرد که در دمای -۲۷۳ درجه سانتی‌گراد (صفر مطلق)، اتم‌ها هیچ نیروی زنده (vis viva، یا همان انرژی جنبشی) نخواهند داشت. این ایده با مفهوم صفر مطلق در ترمودینامیک سازگار است.

شاید تأیید هراپات، ژول را تشویق کرد تا ایده‌های خود را در یکی از معدود سخنرانی‌های عمومی که تا کنون داشته است، ارائه دهد. این سخنرانی در کتابخانه مدرسه کلیسای سنت آن در منچستر برگزار شد.

جیمز ژول به زبان ساده، اصل پایستگی انرژی را که خودش آن را بنیان نهاده بود، توصیف کرد و اظهار داشت که نور درخشان شهاب‌های آسمانی باید ناشی از تبدیل نیروی زنده عظیم آنها به گرما هنگام ورود به جو زمین باشد. این مثال جالبی از تبدیل انرژی جنبشی (vis viva) به گرما بود که ژول برای توضیح اصل پایستگی انرژی از آن استفاده کرد.

حمایت ویلیام تامسون (لرد کلوین) از کارهای ژول

مهم‌ترین حمایتی که جیمز ژول در سال ۱۸۴۷ پیدا کرد، از ویلیام تامسون جوان (که بعدها لرد کلوین نامیده شد) بود. تامسون تا حدی به نظریات ژول اعتقاد داشت، اما کاملاً متقاعد نشده بود.

تامسون پذیرفت که کار می‌تواند به گرما تبدیل شود (و حتی برخی از آزمایش‌های ژول را برای خودش تکرار کرد)، اما حاضر نبود بپذیرد که گرما می‌تواند به کار تبدیل شود. این نکته‌ی کلیدی در اختلاف نظر آنها بود.

سه سال بعد، تحت تأثیر آر. جی. ای. کلاوزیوس، تامسون نظر خود را تغییر داد و تقریباً به طور کامل دیدگاه ژول را پذیرفت. کلاوزیوس از بنیانگذاران علم ترمودینامیک بود و نقش مهمی در متقاعد کردن تامسون ایفا کرد.

با این حال، در یک مورد، تامسون سازش‌ناپذیر بود. او نمی‌توانست بپذیرد که کار لازم برای تولید یک واحد گرما با فشرده کردن یک گاز در همه دماها یکسان است. او معتقد بود که این مقدار باید به طور پیوسته با دما افزایش یابد.

این باور تامسون با نظریه دینامیکی که او پذیرفته بود، مغایرتی نداشت. همانطور که قبلاً گفته شد، تصور می‌شد که اتم‌های گاز دارای برخی از خواص فنر مانند باشند.

بدیهی بود که برای حل این مسئله، استفاده از دستگاه‌های بسیار حساس‌تر از دو استوانه ژول ضروری بود. این جمله نشان می‌دهد که تامسون به دنبال راه‌هایی برای آزمایش دقیق‌تر این موضوع بود.

چگونگی آزمایش فرضیه ژول در مورد تبدیل گرما به کار و بالعکس

هوای فشرده در یک استوانه مجهز به پیستون می‌تواند با اعمال نیرو به پیستون، کار انجام دهد. هوا خنک می‌شود زیرا گرما به کار تبدیل می‌شود و فشار هوا تا فشار اتمسفر کاهش می‌یابد. این یک فرایند انبساط adiabatic است که در آن گاز بدون تبادل گرما با محیط، منبسط می‌شود و خنک می‌شود.

کاری که انجام شده (مثلاً بلند کردن یک وزنه) می‌تواند دوباره از طریق اصطکاک، برای مثال، به گرما تبدیل شود. اگر وزنه‌ای که توسط پیستون بلند شده، دوباره پایین بیاید و نیروی اصطکاک ایجاد کند، این کار مکانیکی می‌تواند دوباره به گرما تبدیل شود.

حالا اگر گرما به هوا برگردانده شود و برای بازگرداندن دما به مقدار اولیه کافی باشد، فرض ژول درست است. به عبارت دیگر، اگر بعد از انجام کار و خنک شدن هوا، همان مقدار گرمایی که صرف انجام کار شده بود به هوا برگردانده شود، و دما دوباره به حالت اول برگردد، این نشان می‌دهد که کار و گرما به طور کامل قابل تبدیل به یکدیگرند.

در این حالت، هوا در حجم خود تغییر کرده است، هیچ کار خارجی خالصی انجام نشده است و دما بدون تغییر باقی می‌ماند. این دقیقاً همان چیزی است که ژول در آزمایش‌های خود نشان داده بود. تغییر حجم هوا به تنهایی (بدون انجام کار خارجی) باعث تغییر دما نمی‌شود.

مشکل این بود که دستگاهی طراحی شود که بتواند این موضوع را در دماهای مختلف آزمایش کند. این چالش اصلی برای آزمایش دقیق‌تر فرضیه ژول بود. تغییر دما می‌توانست بر رفتار گاز و میزان تبدیل کار به گرما تأثیر بگذارد، بنابراین مهم بود که این موضوع در دماهای مختلف بررسی شود.

دستگاهی که ژول و تامسون برای انجام آزمایش‌های مشترک خود ساختند

دستگاهی که جیمز ژول و تامسون در یک سری تحقیقات مشترک طولانی ساختند، شامل یک پمپ هوای بزرگ بود که توسط موتور بخار ۸ اسب بخاری در کارخانه آبمیوه ژول به حرکت در می‌آمد، لوله‌های آهنی و سربی، یک حمام آب بزرگ برای تثبیت دمای هوا، یک خشک‌کن هوا و یک گازسنج. این اجزا با هم یک سیستم پیچیده را تشکیل می‌دادند که برای انجام آزمایش‌های دقیق مورد نیاز بود.

نکته کلیدی آزمایش، یک درپوش متخلخل از پنبه یا ابریشم فشرده شده در یک لوله چوبی بود که هوا از طریق آن رانده می‌شد. این درپوش متخلخل نقش مهمی در تبدیل انرژی جنبشی هوا به گرما ایفا می‌کرد.

تعداد زیادی جت کوچک هوا که از درپوش خارج می‌شدند، تضمین می‌کردند که تلاطم و اصطکاک سیال، نیروی زنده (vis viva یا انرژی جنبشی) هوا را به گرما تبدیل می‌کند، قبل از اینکه هوا بتواند گرما را از لوله چوبی بگیرد یا به آن بدهد. به عبارت دیگر، طراحی به گونه‌ای بود که تبدیل انرژی جنبشی به گرما، قبل از هرگونه تبادل حرارتی با محیط انجام شود.

یک دماسنج نزدیک جت‌های کوچک، دمای هوای خروجی را نشان می‌داد. دماسنج دیگری در آب، دمای هوای ورودی به درپوش را اندازه‌گیری می‌کرد. با مقایسه این دو دما، می‌توان تغییرات دمای هوا را در اثر عبور از درپوش متخلخل بررسی کرد و در نتیجه، میزان تبدیل انرژی جنبشی به گرما را محاسبه کرد.

آزمایش‌های دقیق ژول و تامسون برای بررسی اثر خنک‌کنندگی ناشی از انبساط گازها

ژول و تامسون به طور سیستماتیک منابع خطایی را که تمایل داشتند اثر کوچک (تغییر دما) را پنهان کنند، حذف کردند. دقت در این آزمایش‌ها بسیار مهم بود، زیرا تغییرات دما بسیار جزئی بودند.

رفتار هوا، دی‌اکسید کربن، اکسیژن و نیتروژن در هنگام تغییر حجم بدون انجام کار خالص در دماها و فشارهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. این آزمایش‌ها نشان دادند که چگونه گازهای مختلف تحت شرایط گوناگون رفتار می‌کنند.

ژول دریافت که در هر مورد، کاهش دمای کوچکی وجود دارد که با افزایش دما تا نزدیک نقطه جوش آب، کمتر می‌شود. بنابراین، فرض اولیه او تا حد زیادی توجیه شد. این یافته‌ها نشان داد که انبساط گازها باعث خنک شدن آنها می‌شود، و این اثر با افزایش دما کاهش می‌یابد.

در مورد دی‌اکسید کربن، اثر خنک‌کنندگی در دماهای پایین بیشتر از سایر گازها بود. این امر باعث شد ژول استدلال کند که با نزدیک شدن گاز به حالت بخار اشباع (یعنی با نزدیک شدن به دمای میعان)، اثر خنک‌کنندگی بیشتر می‌شود. این مشاهده راه را برای فیزیک دمای پایین باز کرد.

آنها پس از مشکلات زیاد دریافتند که هیدروژن استثنا است. هنگام عبور از درپوش، گرم می‌شد و اثر گرمایش با افزایش دما بیشتر می‌شد. واضح بود که هیدروژن از دمای میعان بسیار دور است.

اما قبل از پایان قرن نوزدهم، هیدروژن با استفاده از روشی مبتنی بر آنچه در آن زمان اثر ژول-تامسون نامیده می‌شد، مایع شد. این نشان می‌دهد که درک اثر ژول-تامسون نه تنها برای فیزیک بنیادی مهم بود، بلکه کاربردهای عملی نیز در فناوری‌های تبرید و مایع‌سازی گازها پیدا کرد.

نقش جیمز ژول در استانداردسازی واحدهای الکتریکی

در سال ۱۸۶۱، به درخواست دو مهندس تلگراف، انجمن بریتانیا برای پیشرفت علم (BA) کمیته‌ای را برای استانداردسازی واحدهای الکتریکی تشکیل داد. نیاز به واحدهای استاندارد به دلیل توسعه سریع تلگراف و سایر فناوری‌های الکتریکی در آن زمان احساس می‌شد.

کمیته تصمیم گرفت که واحدهای مقاومت و جریان بر حسب واحدهای دینامیکی طول، جرم و زمان بیان شوند. مقاومت می‌توانست توسط یک دستگاه مبتکرانه که توسط تامسون طراحی شده بود، و جریان توسط یک ترازوی جریان (که آن هم توسط تامسون طراحی شده بود) تعیین شود.

کمیته متوجه شد که واحدها باید با “واحد کار، حلقه اتصال بزرگ بین همه اندازه‌گیری‌های فیزیکی” (۱۸۶۲) مرتبط باشند. این نشان می‌دهد که اهمیت انرژی و ارتباط آن با سایر کمیت‌های فیزیکی در حال درک بود.

قانون گرمایش i²r ژول و مقدار مکانیکی گرمای او با هم امکان هماهنگ کردن واحدهای الکتریکی جدید با انرژی را فراهم کردند. این امر نشان می‌دهد که چگونه یافته‌های ژول در مورد تبدیل کار به گرما و بالعکس، نقش کلیدی در تعریف دقیق و استاندارد واحدهای الکتریکی ایفا کرد.

از آنجا که اختلاف جزئی وجود داشت، ژول به درخواست کمیته، آخرین تعیین دقیق خود را از مقدار مکانیکی گرما (۱۸۷۴) انجام داد. این نشان می‌دهد که دقت بالای آزمایش‌های ژول تا چه اندازه برای جامعه علمی مهم بود.

متعاقباً، لرد ریلی دریافت که خطای کوچکی در مقدار “اهم” BA وجود دارد. چند سال بعد، ژول مطلع شد که فیزیکدان آمریکایی H.A. Rowland مقدار مکانیکی گرما را با دقت زیادی اندازه‌گیری کرده و نشان داده است که گرمای ویژه آب با دما تغییر می‌کند. این امر برتری انرژی بر گرما را تأیید کرد. این یافته‌ها نشان داد که گرما، به عنوان شکلی از انرژی، تابع قوانین انرژی است و نه برعکس. به عبارت دیگر، انرژی مفهوم بنیادی‌تری است و گرما یکی از مظاهر آن است.

تأثیر عمیق تحقیقات جیمز ژول بر علم

تحقیقات ژول منجر به تثبیت اصل پایستگی انرژی با پیامدهای گسترده آن برای شیمی، علوم زیستی و همچنین فیزیک و مهندسی شد. این اصل بیان می‌کند که انرژی نه می‌تواند ایجاد شود و نه از بین برود، بلکه فقط می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود. این اصل یکی از بنیادی‌ترین اصول علمی است.

در واقع، استقلال فیزیک به عنوان شاخه‌ای مجزا از علم، تا حد زیادی مدیون ژول و دوستش تامسون است. تا دهه ۱۸۷۰ بود که کرسی‌های معروف فیزیک، مانند کاوندیش و لانگورثی، تأسیس شدند. این نشان می‌دهد که تا پیش از آن، فیزیک به عنوان یک رشته علمی مستقل جایگاه خود را به طور کامل پیدا نکرده بود، و کارهای ژول و تامسون در این زمینه بسیار مؤثر بودند.

فراتر از عرصه‌های علمی، اولین پیش‌بینی بحران انرژی، که توسط اقتصاددان منچستری، دبلیو. اس. جِوونز در کتاب خود “سؤال زغال سنگ” (۱۸۶۵) انجام شد، نمی‌توانست قبل از پذیرش ایده‌های ژول مطرح شود. پیش‌بینی جِوونز بر اساس محدودیت منابع فسیلی و لزوم یافتن منابع جایگزین انرژی بود، و این تفکر ریشه در درک مفهوم انرژی و تبدیل آن داشت که ژول در توسعه آن نقش کلیدی داشت. (توجه داشته باشید که سال انتشار کتاب 1865 است نه 1965)

و یک سال بعد، هنری وایلد، با اعمال اصل پایستگی انرژی، ماشین خود را برای تبدیل انرژی مکانیکی نامحدود به انرژی الکتریکی اختراع کرد. نسخه بهبود یافته آن به زودی دینامو نامیده شد تا از مگنتوی ضعیف متمایز شود. این اختراع، که بر اساس اصول تبدیل انرژی (که توسط ژول کشف شده بود) بنا شده بود، نقش بسیار مهمی در توسعه فناوری‌های الکتریکی ایفا کرد و راه را برای تولید برق در مقیاس بزرگ هموار کرد.

موفقیت نهایی

ژول شیفته علم بود. او درآمد شخصی داشت و به جز کمک‌های مالی اندک از انجمن سلطنتی، هزینه‌های تحقیقات خود را شخصاً پرداخت می‌کرد. این نشان می‌دهد که او وقف علم و تحقیق بود و از نظر مالی مستقل بود.

باشگاه، دانشگاه و الهام علمی او، انجمن ادبی و فلسفی منچستر بود که محل تحصیل جان دالتون نیز بود. این انجمن نقش مهمی در پرورش و تشویق دانشمندان در منچستر در آن زمان ایفا می‌کرد.

ژول به آرامی در سالفورد و سپس در منچستر زندگی کرد و در ۹ اکتبر ۱۸۸۹ در خانه‌اش در سیل، چشایر درگذشت. چند روز بعد، نیروگاه Deptford، اولین نیروگاه مدرن، شروع به کار کرد. این یک تقارن جالب بین مرگ ژول و آغاز عصر جدید تولید برق را نشان می‌دهد.

این نیروگاه از تکنیک جهانی تولید جریان متناوب و انتقال آن در ولتاژ بالا، مطابق با قانون i²r (قانون ژول) استفاده می‌کرد. این اشاره به اهمیت قانون ژول در طراحی و عملکرد نیروگاه‌های الکتریکی دارد.

و این نیروگاه، بینش او در اوایل سال ۱۸۴۳ را نشان داد که الکتریسیته “عامل بزرگی برای حمل، آرایش و تبدیل گرمای شیمیایی” است. این گفته هنوز هم صادق است، چه گرما از سوزاندن زغال سنگ، نفت یا گاز باشد، یا از شکافت هسته‌ای. این جمله نشان می‌دهد که ایده ژول در مورد نقش الکتریسیته در تبدیل انرژی، همچنان در نیروگاه‌های مدرن که از منابع مختلف انرژی استفاده می‌کنند، کاربرد دارد. به عبارت دیگر، اصل تبدیل انرژی که ژول کشف کرد، اساس کار تمام نیروگاه‌های حرارتی (چه فسیلی و چه هسته‌ای) است.

برای مطالعه بیشتر در ارتباط با تاریخ علم فیزیک و ترمودینامیک پیشنهاد می کنیم مقاله ما با عنوان “بررسی زندگی سدی کارنو: بنیان گذار ترمودینامیک” را مطالعه کنید.

نتیجه‌گیری

تحقیقات و اکتشافات جیمز ژول، نه تنها در زمان خود، بلکه در دهه‌های بعد نیز تأثیر عمیقی بر علم و فناوری گذاشت. اصل پایستگی انرژی، که ژول آن را به اثبات رساند، به یکی از بنیادی‌ترین اصول فیزیک تبدیل شد و راه را برای توسعه نظریه‌های علمی جدید در زمینه‌های مختلف هموار کرد.

علاوه بر این، یافته‌های ژول در زمینه تبدیل انرژی، نقش مهمی در توسعه فناوری‌های الکتریکی ایفا کرد. قانون ژول در مورد گرمای تولید شده توسط جریان الکتریکی، اساس طراحی و عملکرد نیروگاه‌های مدرن را تشکیل می‌دهد. امروزه، نیروگاه‌های برق در سراسر جهان، با استفاده از اصول کشف شده توسط ژول، انرژی الکتریکی را از منابع مختلف (مانند زغال سنگ، نفت، گاز و انرژی هسته‌ای) تولید و به خانه‌ها و کارخانه‌ها منتقل می‌کنند.

تأثیر ژول بر علم و فناوری به اینجا ختم نمی‌شود. اکتشافات او در زمینه ترمودینامیک، به توسعه علم تبرید و تولید دستگاه‌های خنک‌کننده و تبرید صنعتی منجر شد. امروزه، از این فناوری‌ها در صنایع مختلف، از جمله صنایع غذایی، دارویی و شیمیایی، استفاده می‌شود.

جیمز ژول، با تحقیقات و آزمایش‌های دقیق خود، نشان داد که علم و تجربه می‌توانند در کنار هم، به کشف قوانین طبیعت و توسعه فناوری‌های نوین منجر شوند. میراث علمی او، همچنان الهام‌بخش دانشمندان و مهندسان در سراسر جهان است و به پیشرفت علم و فناوری در خدمت بشریت کمک می‌کند.

منابع مطالعاتی

کتاب‌ها:

• “The Life of James Prescott Joule” نوشته Osborne Reynolds: این کتاب یکی از جامع‌ترین و معتبرترین منابع در مورد زندگی ژول است که توسط یکی از معاصران او نوشته شده است.
• “Joule: A Biography” نوشته Donald Cardwell: این کتاب به بررسی زندگی علمی و شخصی ژول می‌پردازد و تأثیر او بر علم فیزیک را مورد بررسی قرار می‌دهد.
• “James Prescott Joule and the Principle of Conservation of Energy” نوشته Robert Fox: این کتاب به طور خاص بر روی تحقیقات ژول در زمینه انرژی و اصل پایستگی آن تمرکز دارد.

مقالات علمی:

• James Prescott Joule and the idea of energy (1989 Phys. Educ. 24 123) (http://iopscience.iop.org/0031-9120/24/3/302)
• “On the Mechanical Equivalent of Heat” نوشته James Prescott Joule: این مقاله یکی از مهم‌ترین مقالات ژول است که در آن به تشریح آزمایش‌های خود در مورد معادل مکانیکی گرما می‌پردازد.
• “On the Dynamical Theory of Heat” نوشته James Prescott Joule: در این مقاله، ژول به بررسی نظریه دینامیکی گرما و ارتباط آن با انرژی می‌پردازد.

منابع آنلاین:

• وب‌سایت موزه علم و صنعت منچستر: این وب‌سایت شامل اطلاعاتی در مورد زندگی و آثار ژول، از جمله تصاویر و دست‌نوشته‌های او است.
• وب‌سایت انجمن سلطنتی: این وب‌سایت شامل مقالاتی در مورد ژول و مشارکت او به علم فیزیک است.