Джеймс Прескотт Джоуль FRS FRSE ( / dʒ uː l / ; [1] [2] [a] 24 декабря 1818 — 11 октября 1889) был английским физиком , математиком и пивоваром , родившимся в Солфорде , Ланкашир. Джоуль изучал природу тепла и открыл его связь с механической работой . Это привело к закону сохранения энергии , который, в свою очередь, привел к разработке первого закона термодинамики . Производная единица энергии СИ, джоуль , названа в его честь.
Он работал с лордом Кельвином над разработкой абсолютной термодинамической температурной шкалы, которая стала называться шкалой Кельвина . Джоуль также наблюдал магнитострикцию и нашел связь между током через резистор и рассеиваемым теплом , которая также называется первым законом Джоуля . Его эксперименты по преобразованию энергии были впервые опубликованы в 1843 году.
Джеймс Джоуль родился в 1818 году, сын Бенджамина Джоуля (1784–1858), богатого пивовара , и его жены Элис Прескотт, на Нью-Бейли-стрит в Солфорде . [3] Джоуля в молодости обучал известный ученый Джон Далтон , и на него сильное влияние оказали химик Уильям Генри и инженеры из Манчестера Питер Эварт и Итон Ходжкинсон . Он был очарован электричеством, и он и его брат экспериментировали, давая электрические разряды друг другу и слугам семьи. [4]
Став взрослым, Джоуль управлял пивоварней. Наука была всего лишь серьезным хобби. Где-то около 1840 года он начал исследовать возможность замены паровых двигателей пивоварни недавно изобретенным электродвигателем . Его первые научные работы по этой теме были опубликованы в Annals of Electricity Уильяма Стерджена . Джоуль был членом Лондонского электрического общества , основанного Стердженом и другими. [ требуется ссылка ]
Мотивированный отчасти желанием бизнесмена количественно оценить экономику выбора, а отчасти своей научной любознательностью, он решил определить, какой первичный двигатель был более эффективным. Он открыл первый закон Джоуля в 1841 году, что «тепло, которое выделяется при надлежащем действии любого гальванического тока , пропорционально квадрату интенсивности этого тока, умноженному на сопротивление проводимости, которое он испытывает». [5] Он пошел дальше и понял, что сжигание фунта угля в паровой машине было более экономичным, чем дорогостоящий фунт цинка, потребляемый в электрической батарее . Джоуль описал выход альтернативных методов в терминах общего стандарта, способности поднять массу весом в один фунт на высоту одного фута, фут-фунта . [ необходима цитата ]
Однако интерес Джоуля переключился с узкого финансового вопроса на вопрос о том, сколько работы можно извлечь из данного источника, что привело его к размышлениям о преобразуемости энергии. В 1843 году он опубликовал результаты экспериментов, показывающих, что тепловой эффект, который он количественно оценил в 1841 году, был обусловлен генерацией тепла в проводнике , а не его передачей из другой части оборудования. Это был прямой вызов теории теплорода, которая утверждала, что тепло не может быть ни создано, ни уничтожено. Теория теплорода доминировала в мышлении в науке о тепле с тех пор, как ее представил Антуан Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех теории теплорода Сади Карно в тепловой машине с 1824 года гарантировали, что молодому Джоулю, работающему вне академической среды или инженерной профессии, предстоял трудный путь. Сторонники теории теплорода с готовностью указывали на симметрию эффекта Пельтье-Зеебека , утверждая, что тепло и ток могут быть преобразованы в, по крайней мере приблизительно, обратимом процессе . [ необходима цитата ]
Дальнейшие эксперименты и измерения с его электродвигателем привели Джоуля к оценке механического эквивалента тепла как 4,1868 джоуля на калорию работы по повышению температуры одного грамма воды на один кельвин. [b] Он объявил о своих результатах на заседании химической секции Британской ассоциации содействия развитию науки в Корке в августе 1843 года и был встречен молчанием. [7]
Джоуль не смутился и начал искать чисто механическую демонстрацию преобразования работы в тепло. Проталкивая воду через перфорированный цилиндр, он мог измерить небольшое вязкое нагревание жидкости. Он получил механический эквивалент силы в 770 фут-фунтов на британскую термическую единицу (4140 Дж/кал). Тот факт, что значения, полученные как электрическими, так и чисто механическими средствами, согласовывались по крайней мере с двумя значащими цифрами , был для Джоуля убедительным доказательством реальности преобразования работы в тепло.
Везде, где затрачивается механическая сила, всегда получается точный эквивалент тепла.
— Дж. П. Джоуль, август 1843 г.
Джоуль теперь попробовал третий путь. Он измерил выделяемое тепло в зависимости от работы, выполненной при сжатии газа. Он получил механический эквивалент силы в 798 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4290 Дж/кал). Во многих отношениях этот эксперимент представлял собой самую легкую цель для критиков Джоуля, но Джоуль устранил ожидаемые возражения с помощью умного эксперимента. Джоуль прочитал свою статью Королевскому обществу 20 июня 1844 года, [8] [9] но его статья была отклонена для публикации Королевским обществом, и ему пришлось довольствоваться публикацией в Philosophical Magazine в 1845 году. [10] В статье он был откровенен в своем отрицании калорических рассуждений Карно и Эмиля Клапейрона , отчасти теологически мотивированном: [ необходима цитата ]
Я полагаю, что эта теория... противоречит признанным принципам философии, поскольку она приводит к выводу, что vis viva может быть уничтожена неправильным расположением аппарата: Таким образом, г-н Клапейрон делает вывод, что «температура огня на 1000–2000 °C выше, чем температура котла, и происходит огромная потеря vis viva при передаче тепла от печи к котлу». Веря в то, что сила разрушения принадлежит только Создателю, я утверждаю... что любая теория, которая при осуществлении требует уничтожения силы, обязательно ошибочна.
Джоуль здесь использует термин vis viva (энергия), возможно, потому, что Ходжкинсон прочитал рецензию на книгу Эварта « О мере движущей силы» в Литературном и философском обществе в апреле 1844 года. [ необходима цитата ]
В июне 1845 года Джоуль прочитал свою статью «О механическом эквиваленте тепла» на заседании Британской ассоциации в Кембридже . [11] В этой работе он сообщил о своем самом известном эксперименте, включавшем использование падающего груза, в котором гравитация выполняет механическую работу, для вращения гребного колеса в изолированной бочке с водой, что повышало температуру. Теперь он оценил механический эквивалент силы в 819 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4404 Дж/кал). Он написал письмо в Philosophical Magazine, опубликованное в сентябре 1845 года, описывая свой эксперимент. [12]
В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное измерение силы в 772,692 футо-фунта на британскую термическую единицу (4150 Дж/кал), что ближе к оценкам двадцатого века. [13]
.png/1280px-Joule's_Apparatus_(Harper's_Scan).png)
Большая часть первоначального сопротивления работе Джоуля проистекала из ее зависимости от чрезвычайно точных измерений . Он утверждал, что может измерять температуру с точностью до 1 ⁄ 200 градуса по Фаренгейту (3 мК). Такая точность, безусловно, была необычной в современной экспериментальной физике, но его скептики, возможно, пренебрегли его опытом в искусстве пивоварения и его доступом к его практическим технологиям. [14] Его также умело поддерживал изготовитель научных приборов Джон Бенджамин Дэнсер . Эксперименты Джоуля дополняли теоретическую работу Рудольфа Клаузиуса , которого некоторые считают соавтором концепции энергии. [ требуется ссылка ]
Джоуль предлагал кинетическую теорию тепла (он считал, что это форма вращательной, а не поступательной кинетической энергии ), и это требовало концептуального скачка: если тепло было формой молекулярного движения, почему движение молекул постепенно не затухало? Идеи Джоуля требовали верить, что столкновения молекул были абсолютно упругими. Важно, что само существование атомов и молекул не было широко принято в течение следующих 50 лет. [ необходима цитата ]
Хотя сегодня может быть трудно понять привлекательность теории теплорода , в то время она, казалось, имела некоторые явные преимущества. Успешная теория Карно о тепловых двигателях также основывалась на предположении о теплороде, и только позже лорд Кельвин доказал, что математика Карно была столь же верна без предположения о теплородной жидкости. [ необходима цитата ]
Однако в Германии Герман Гельмгольц узнал как о работе Джоуля, так и о похожей работе 1842 года Юлиуса Роберта фон Майера . Хотя оба они были забыты после их соответствующих публикаций, окончательная декларация Гельмгольца 1847 года о сохранении энергии приписала им обоим заслуги. [ необходима цитата ]
Также в 1847 году на еще одной презентации Джоуля в Британской ассоциации в Оксфорде присутствовали Джордж Габриэль Стокс , Майкл Фарадей и не по годам развитый и неординарный Уильям Томсон , позже ставший лордом Кельвином, который только что был назначен профессором естественной философии в Университете Глазго . Стокс был «склонен быть джоулитом», а Фарадей был «очень поражен этим», хотя и питал сомнения. Томсон был заинтригован, но настроен скептически. [ необходима цитата ]
Неожиданно Томсон и Джоуль встретились в том же году в Шамони . Джоуль женился на Амелии Граймс 18 августа, и пара отправилась в медовый месяц. Несмотря на супружеский энтузиазм, Джоуль и Томсон договорились провести эксперимент несколько дней спустя, чтобы измерить разницу температур между верхней и нижней частью водопада Cascade de Sallanches , хотя впоследствии это оказалось непрактичным. [ необходима цитата ]
Хотя Томсон считал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил в энергичную защиту школы Карно - Клапейрона . В своем отчете об абсолютной температуре 1848 года Томсон писал, что «превращение тепла (или теплорода) в механический эффект, вероятно, невозможно, определенно неоткрыто» [15] [16] – но сноска сигнализировала о его первых сомнениях относительно теории теплорода, ссылаясь на «весьма замечательные открытия» Джоуля. Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль в конце концов прочитал ее, он написал Томсону 6 октября, заявив, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планирует дальнейшие эксперименты. Томсон ответил 27-го, показав, что он планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух точек зрения. Хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он все больше разочаровывался в теории Карно и убеждался в теории Джоуля. В своей статье 1851 года Томсон не был готов пойти дальше компромисса и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на двух положениях, выдвинутых соответственно Джоулем, Карно и Клаузиусом». [ необходима цитата ]
Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону свои комментарии и вопросы. Так началось плодотворное, хотя в основном эпистолярное, сотрудничество между двумя мужчинами: Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество продолжалось с 1852 по 1856 год, его открытия включали эффект Джоуля-Томсона , а опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетической теории . [ требуется ссылка ]
Кинетика — это наука о движении. Джоуль был учеником Дальтона, и неудивительно, что он усвоил твердую веру в атомную теорию , хотя многие ученые его времени все еще были настроены скептически. Он также был одним из немногих людей, восприимчивых к забытой работе Джона Херапата по кинетической теории газов . На него также глубокое влияние оказала работа Питера Эварта 1813 года «О мере движущей силы». [ требуется цитата ]
Джоуль осознал связь между своими открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные дневники показывают, что он считал тепло формой вращательного, а не поступательного движения. [ необходима цитата ]
Джоуль не мог не найти предшественников своих взглядов у Фрэнсиса Бэкона , сэра Исаака Ньютона , Джона Локка , Бенджамина Томпсона (графа Рамфорда) и сэра Гемфри Дэви . Хотя такие взгляды оправданы, Джоуль пошел дальше и оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 фут-фунта из публикаций Рамфорда. Некоторые современные авторы критиковали этот подход на том основании, что эксперименты Рамфорда никоим образом не представляли собой систематические количественные измерения. В одной из своих личных заметок Джоуль утверждает, что измерение Майера было не более точным, чем измерение Рамфорда, возможно, в надежде, что Майер не предвосхитил его собственную работу. [ необходима цитата ]
Джоулю приписывают объяснение феномена зеленой вспышки на закате в письме Манчестерскому литературному и философскому обществу в 1869 году; на самом деле он просто отметил (с помощью эскиза) последний проблеск как сине-зеленый, не пытаясь объяснить причину этого явления. [17]
Джоуль умер дома в Сейле [18] и похоронен там на кладбище Бруклендс . На его надгробии высечено число "772,55", его кульминационное измерение механического эквивалента тепла в 1878 году, в котором он обнаружил, что это количество футо-фунтов работы должно быть затрачено на уровне моря, чтобы поднять температуру одного фунта воды с60 °F до61 °F . Также есть цитата из Евангелия от Иоанна : «Мне должно делать дело Пославшего Меня, доколе есть день; приходит ночь, когда никто не может делать». [19] Паб Wetherspoon's в Сейле , городе его смерти, назван в его честь «The JP Joule».
Среди многочисленных наград и благодарностей Джоуля:
В северном хоровом проходе Вестминстерского аббатства есть мемориал Джоулю , [21] хотя он там не похоронен, вопреки тому, что утверждают некоторые биографии. Статуя Джоуля работы Альфреда Гилберта стоит в Манчестерской ратуше , напротив статуи Далтона.
Джоуль женился на Амелии Граймс в 1847 году. Она умерла в 1854 году, через семь лет после их свадьбы. У них было трое детей: сын Бенджамин Артур Джоуль (1850–1922), дочь Элис Амелия (1852–1899) и второй сын Джо (родился в 1854 году, умер три недели спустя).
Некролог Джеймса Джоуля.
