Joules lagar är två närliggande principer som beskriver hur energi omvandlas i två olika sammanhang: den första handlar om den värme som produceras av en elektrisk ström och den andra om hur energin i en gas hänger samman med tryck och volym.
Första lagen — Jouleuppvärmning (värmeeffekt)
Joules första lag beskriver hur mycket värme som utvecklas i en ledare när en elektrisk ström passerar genom den. Den är uppkallad efter James Prescott Joule och uttrycks som:
Q = I 2 ⋅ R ⋅ t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 
Där Q är den avsatta värmemängden (i joule, J), I är strömmen (i ampere, A), R är resistansen i ledaren (i ohm, Ω) och t är tiden (i sekunder, s). Ett närbesläktat uttryck är effekten P som omvandlas till värme: P = I²R, alltså Q = P·t.
Fysisk förklaring: Elektrisk energi omvandlas till värme genom att laddningsbärare (t.ex. elektroner) i ledaren kolliderar med atomernas gitter. Kollisionsprocessen ökar den termiska rörelsen hos atomerna och höjer temperaturen — detta är den mikroskopiska mekanismen bakom Jouleuppvärmning.
Tillämpningar och exempel:
- Vattenkokare, värmeelement och elradiatorer utnyttjar medvetet Jouleuppvärmning.
- Säkringar och motstånd i elektroniska kretsar skyddar genom att omvandla elektrisk energi till värme.
- I kraftledningar leder oönskad Jouleförlust till energislösning; därför är höga spänningar och låga strömmar ofta önskvärda för långdistansöverföring.
Begränsningar: Formeln gäller när resistansen kan betraktas som konstant över tiden. I många praktiska situationer förändras R med temperaturen (ofta ökar R när metaller blir varmare). Vid växelström kan även effektfaktorer och reaktans påverka förloppet.
Andra lagen — inre energi i idealgaser
Joules andra lag säger i korthet att den inreenergin för en ideal gas beror endast på temperaturen och inte direkt på tryck eller volym. Det innebär att vid en process där temperaturen inte ändras (isoterm process) ändras inte heller den inre energin (ΔU = 0 för en ideal gas).
Matematiskt kan den inre energin för n mol ideal gas uttryckas som
- För en ideal monoatomär gas: U = (3/2) n R T
- Generellt: U = n c_v T, där c_v är molär värmekapacitet vid konstant volym och R är gaskonstanten.
Det här innebär praktiskt att ändring i inre energi ges av ΔU = n c_v ΔT — alltså förändras U bara om temperaturen ändras. Ett viktigt experiment av Joule var hovrande expansion (fri expansion) av en gas i vakuum, där han observerade att temperaturen i praktiken var oförändrad för en ideal gas — ett starkt stöd för lagen.
Notera skillnader och begränsningar: För verkliga (icke-ideala) gaser kan den inre energin bero svagt på volym och tryck, särskilt vid höga tryck eller låga temperaturer där intermolekylära krafter är viktiga. Relaterade fenomen som Joule–Thomson-effekten (temperaturändring vid expansion genom en ventil) visar att verkliga gaser kan kyla eller värmas upp vid sådana processer — detta är ett annat, men besläktat, termodynamiskt beteende.
Sammanfattning
Joules lagar ger två nyttiga och tydliga insikter: i elektriska kretsar kvantifierar första lagen hur mycket värme som genereras av en ström (Q = I²Rt), medan andra lagen klargör att för en ideal gas är inre energi en funktion enbart av temperatur. Båda principerna är fundamentala inom termodynamik och praktisk teknik, men deras tillämpning kräver uppmärksamhet på gränserna för idealisering i verkliga material och gaser.