تاريخ اكتشاف السعرات (وحدات الطاقة):
سنة الاكتشاف: 1843م
ما هو هذا الاكتشاف؟
- تعتبر جميع أشكال الطاقة والشغل الميكانيكي متكافئة ومكن تحويلها من نوع لآخر
من هو مكتشف السعرات الحرارية؟
- جيمس جول James Joule
لماذا يعد اكتشاف السعرات الحرارية ضمن المائة العظمى؟
من المعروف لنا الآن إمكانية تحويل الشغل الميكانيكي والكهرباء والزخم والحرارة والقوة المغناطيسية...الخ بعضها لبعض، رغم وجود حالة فقدان في العملية. وقد أفادتنا هذه المعرفة بشكل هائل في تطوير صناعاتنا وتقنياتنا المعاصرة. لكن لم تطرأ هذه الفكرة على بال أحد حتى قبل 200 عام فقط.
اكتشف جيمس جول بأن كل نوع من الطاقة يمكن تحويله إلى كمية مكافئة من الحرارة. وهذا يُعد أول عالم يأخذ بمقاليد المفهوم العام الطاقة والكيفية التي تتكافأ بها مختلف صورها. كما ويعد اكتشاف جول الركيزة الأساسية لقانون حفظ الطاقة (الذي اكتشف بعد 40 عاماً) وكذلك لتطوير حقل ديناميكا الحرارة.
كيف جاء هذا الاكتشاف؟
مولوداً عشية عيد الميلاد عام 1818م، نشأ جيمس جول James Joule وسط عائلة ميسورة الحال بمدينة لانكاشاير الإنجليزية. تلقى تحصيله العلمي من مدرسین خصوصيين، وبعمر العشرين بدأ بالعمل في مصنع خمر العائلة.
أول مهمة فرضها جول على نفسه كانت في إمكانية تحويل مصنع الحمر من نوعه البخاري إلى النوع الكهربائي الأكثر حداثة آنذاك. فدرس المكائن ومصادر الطاقة، كما ودرس تيارات الطاقة الكهربائية وراقه ملاحظة تسخن الأسلاك الكهربائية لدى مرور التيار من خلالها. فأدرك بأن بعضاً من الطاقة الكهربائية كان يتحول إلى حرارة.
شعر جول بأهمية حساب مقدار الطاقة الكهربائية الضائعة تلك، فبدأ بتجارب عن كيفية تحول الطاقة من كهربائية إلى حرارية. وعادة ما كان يخرق نظم الأمان لنفسه وللآخرين أثناء إجراء تجاربه، فكثيراً ما كانت الخادمة المسكينة تفقد وعيها جراء الصدمات الكهربائية التي كانت تتلقاها من سيدها الذي لم يفلح قط في تحويل مصنع الخمر إلى النوع الكهربائي، إلا أن هذه التجارب لفتت انتباهه إلى مسألة أخرى - تحويل الطاقة من نوع لآخر.
كان جول تقياًً شديد التدين، فآمن بوجود اتحاد لجميع قوى الطبيعة وبأن الحرارة هي الصيغة النهائية والطبيعية لحساب تكافؤ مختلف أنواع الطاقة.
قلب جول اهتمامه إلى دراسة تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. ففي الحياة الطبيعية لا بد من الجسم المتحرك الذي يمتلك طاقة الزخم الميكانيكية أن يتوقف في نهاية المشوار. إذن، ما الذي حدث لطاقته؟ فأجرى سلسلة من الاختبارات على الماء لقياس تحويل الحركة الميكانيكية إلى حرارة.
ذاع صيت اثنتين من تجارب جول تلك. ففي أولاهما قام بغمس اسطوانة نحاسية مملوءة بالهواء بحوض فيه ماء ثم قاس حرارة الماء. بعدها قام بضخ الهواء إلى داخل الاسطوانة حتى وصول الضغط إلى 22 جول. حسب قانون الغاز فإن الشغل الميكانيكي اللازم لإحداث هذه الزيادة في ضغط الهواء لابد أن يصدر الحرارة، ولكن هل كان ذلك ليحدث فعلاً ؟ قاس جول زيادة قدرها 0.285 درجة فهرنهايت في حرارة للماء. نعم، لقد تحولت الطاقة الميكانيكية إلى حرارية.
و في التجربة الأخرى، قام جول بربط مجاذيف على عمود شاقولي أنزله إلى حوض فيه ماء. ثم أسقط عدداً من الأجسام داخل الحوض مسببة تدوير المجاذيف في الماء. من المفترض أن يتحول هذا الجهد الميكانيكي جزئياً إلى حرارة. فهل حصل ذلك فعلاً ؟
لم تكن النتائج مرضية لحين استعمال جول للزئبق السائل بدل الماء. وبإعتبار الأخير سائلاً أثقل، أثبت جول بسهولة أن الجهد الميكانيكي يتحول إلى حرارة بنسبة ثابتة. فقد سخن السائل بمجرد تحریکه.
أدرك جول أن بالإمكان تحويل جميع أشكال الطاقة إلى كميات متكافئة من الحرارة. فنشر نتائجه هذه عام 1843م متضمناً فيها وحدات قياسية للطاقة الحرارية لغرض حساب المقادير المتكافئة تلك. ومنذ ذلك اليوم وعلماء الفيزياء والكيمياء يستعملون هذه الوحدات في حساباتهم وأسموها joules أو«جولات» - تيمناً بإسم هذا العالم الجليل. أما علماء الأحياء، فيفضلون إستعمال وحدة بديلة تدعى calorie أو «السعرة» - حيث كل سعرة واحدة تساوي4.18 جولا.
بهذا الاكتشاف الذي يقضي بإمكانية تحويل أي نوع من الطاقة إلى كمية متكافئة من الطاقة الحرارية، مهد جول طريقاً معبداً للارتقاء بدراسات الطاقة والميكانيكا والتقنيات.
