التجارب التي أجراها العالمين “رومفورد وجول” حول الحركة والحرارة

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

العالم رومفورد العالم جول الحركة الحرارة الفيزياء

قام رجلان بتقديم برهان أدى في نهاية المطاف إلى زوال نظرية السيّال الحراري وصياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية.

كان الفيزيائي بنجامين طومسون، والمعروف أيضاً بلقب (كونت رومفورد)، يشرف على تصنيع المدافع في العام 1797، أثارت ظاهرة الحرارة اهتمام رومفورد، فقام بتجربة فتح خلالها ثقباً في ماسورة مدفع بعد غمرها بالماء، وذلك باستخدام مثِقَب كليل (غير مستدق الطرف) تديره الخيول.

أدى احتكاك رأس المِثقَب أثناء دورانه على ماسورة المدفع إلى إنتاج الحرارة، وبعد ساعتين ونصف الساعة ذُهل المتفرجون عندما رأوا الماء يغلي من دون أن يتم تسخينه بواسطة النار.

 

اعتقد رومفورد أنه قدّم البرهان على أن الحركة تنتج الحرارة، وأن الحرارة ليست مادة أو ما كان يُطلق عليه اسم "السيّال الحراري"، لكن غيره من علماء تلك الأيام لم يقتنعوا بأقواله.

لم يتمكن رومفورد من الربط بين الحركة والحرارة من الناحية الكمية، إذ لم تشرح نظريته كيف يتسنى للحرارة الانتقال عبر الفراغ، مثل تسخين الشمس للأرض من خلال الغلاف الجوي.

ظلت نظرية السيّال الحراري سائدة بعد ذلك زهاء نصف قرن إلى أن بدأ عالم يُدعى جيمس جول دراسة الحرارة والشغل.

 

وخلافاً لما قام  به رومفورد، لجأ جول إلى إجراء قياسات دقيقة أثناء تجاربه التي قام بها خلال أربعينيات القرن التاسع عشر، وبدأ جول تجاربه على المغناطيسات الكهربائية والتيار الكهربائي، كما اخترع جهازاً استطاع من خلاله إجراء تجربة استخدم فيها زوجاً من الأوزان مررهما على بكرة وحقق بذلك الشغل الذي نتج عنه توليد تيار كهربائي.

أنتج هذا التيار حرارة واستطاع جول حساب كمية الحرارة الناتجة عن الشغل، وتمثل هذا القياس بعدد أطلق عليه اسم "المكافئ الميكانيكي للحرارة."

وفي تجربة مشابهة للتجربة التي أجراها رومفورد، ربط جول ميزان حرارة بعجلة تجديف مغمورة في الماء، وبعد تدوير العجلة عن طريق ثقل متدلٍ، تمكن جول من قياس دقيق للشغل الذي تحقق بواسطة الثقل، بالإضافة إلى قياس الزيادة التي طرأت على درجة حرارة الماء.

 

لقد بيّن كلٌ من رومفورد وجول أن الشغل يمكن أن يتحول إلى حرارة.

فقد برهن جول على أن مقداراً محدداً من الشغل يلزم لتوليد وحدة حرارية واحدة، وأن الطاقة، وليست الحرارة، هي التي يتم حفظها خلال عملية التحول.

لقد أثبت هذا الاستنتاج عدم صحة السيّال الحراري، التي افترضت أن الحرارة ذاتها يتم حفظها على شكل "سيّال حراري" وهكذا أصبح الإنجاز الذي حققه جول الركيزة الأساسية للقانون الأول للديناميكا الحرارية.

 

استخدم جول وحدة "قدم – رطل" لقياس الشغل الميكانيكي، ووحدة الحرارة البريطانية (BTU) لقياس الحرارة، وطبقاً لحسابات جول، فإن كل (772 قدماً – رطلاً) شغل ينتج (BTU) واحداً.

وقد أصبحنا اليوم نعرف أن الرقم الحقيقي للمكافئ الحراري هو: (778.26 قدم – رطل) لكل (BTU) واحداً.

ويستعمل العلماء في أغلب الأحيان "الجول" الذي يُختصر بالحرف (J)، كوحدة لقياس الطاقة والشغل والحرارة، ويساوي الجول الواحد (0.239 سعره حرارية).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]