Джеймс Прескотт Джоуль FRS FRSE ( / dʒ uː l / ; [1] [2] [a] 24 декабря 1818 — 11 октября 1889) — английский физик , математик и пивовар , родившийся в Солфорде , Ланкашир. Джоуль изучал природу тепла и обнаружил его связь с механической работой . Это привело к закону сохранения энергии , который, в свою очередь, привел к разработке первого закона термодинамики . В его честь названа производная единица энергии в системе СИ — джоуль .
Вместе с лордом Кельвином он разработал абсолютную термодинамическую температурную шкалу, которая стала называться шкалой Кельвина . Джоуль также провел наблюдения за магнитострикцией и обнаружил связь между током через резистор и рассеиваемым теплом , которую также называют первым законом Джоуля . Его эксперименты по преобразованию энергии были впервые опубликованы в 1843 году.
Джеймс Джоуль родился в 1818 году в семье Бенджамина Джоуля (1784–1858), богатого пивовара , и его жены Элис Прескотт, на Нью-Бейли-стрит в Солфорде . [3] В молодости Джоуль обучался у знаменитого ученого Джона Далтона и находился под сильным влиянием химика Уильяма Генри и манчестерских инженеров Питера Юарта и Итона Ходжкинсона . Он был очарован электричеством, и он и его брат экспериментировали, подвергая электрошоку друг друга и слуг семьи. [4]
Став взрослым, Джоуль руководил пивоварней. Наука была просто серьезным хобби. Где-то около 1840 года он начал исследовать возможность замены паровых двигателей пивоварни недавно изобретенным электродвигателем . Его первые научные статьи по этому вопросу были опубликованы в «Анналах электричества» Уильяма Стерджена . Джоуль был членом Лондонского электрического общества , основанного Стердженом и другими. [ нужна цитата ]
Частично мотивированный желанием бизнесмена количественно оценить экономику выбора, а частично своей научной любознательностью, он решил определить, какой из основных двигателей был более эффективным. В 1841 году он открыл первый закон Джоуля , согласно которому «тепло, выделяющееся в результате собственного действия любого гальванического тока , пропорционально квадрату интенсивности этого тока, умноженному на сопротивление проводимости , которое он испытывает». [5] Далее он понял, что сжигание фунта угля в паровом двигателе было более экономичным, чем сжигание дорогостоящего фунта цинка в электрической батарее . Джоуль охарактеризовал результат альтернативных методов с точки зрения общего стандарта — способности поднять массу весом в один фунт на высоту в один фут, фут -фунт . [ нужна цитата ]
Однако интерес Джоуля отклонился от узкого финансового вопроса к вопросу о том, сколько работы можно извлечь из данного источника, что привело его к размышлениям о конвертируемости энергии. В 1843 году он опубликовал результаты экспериментов, показавшие, что эффект нагрева, количественно оцененный им в 1841 году, был обусловлен выделением тепла в проводнике, а не его передачей от другой части оборудования. Это был прямой вызов теории теплорода , согласно которой тепло невозможно ни создать, ни уничтожить. Теория теплоты доминировала в науке о тепле с тех пор, как она была представлена Антуаном Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех калорической теории тепловой машины Сади Карно с 1824 года гарантировали, что молодой Джоуль, работая за пределами академических или инженерных профессии, предстоял трудный путь. Сторонники калорической теории с готовностью указывали на симметрию эффекта Пельтье-Зебека, утверждая, что тепло и ток могут быть преобразованы в обратимом процессе , по крайней мере приблизительно . [ нужна цитата ]
Дальнейшие эксперименты и измерения с его электродвигателем привели Джоуля к выводу, что механический эквивалент тепла составляет 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 испугался и начал искать чисто механическую демонстрацию превращения работы в тепло. Проталкивая воду через перфорированный цилиндр, он мог измерить небольшой вязкий нагрев жидкости. Он получил механический эквивалент силы 770 футов-фунтов на британскую тепловую единицу (4140 Дж/Кал). Тот факт, что значения, полученные как электрическими, так и чисто механическими средствами, совпадали по крайней мере с двумя значащими цифрами , был для Джоуля убедительным доказательством реальности конвертируемости работы в тепло.
Где бы ни была затрачена 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, совершаемой при сжатии газа. Он получил механический эквивалент силы 798 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4290 Дж/Кал). Во многих отношениях этот эксперимент представлял собой самую легкую мишень для критиков Джоуля, но Джоуль устранил ожидаемые возражения с помощью умных экспериментов. Джоуль прочитал свою статью Королевскому обществу 20 июня 1844 года, [8] [ 9], но его статья была отклонена Королевским обществом для публикации, и ему пришлось довольствоваться публикацией в Философском журнале в 1845 году . В статье он откровенно отверг калорические рассуждения Карно и Эмиля Клапейрона , отказ , частично обусловленный теологией :
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 Если температура на 1000–2000 °C выше, чем у котла, происходит огромная потеря vis viva при переходе тепла от печи к котлу». Полагая, что сила разрушения принадлежит только Творцу, я утверждаю... что любая теория, которая, будучи реализована, требует уничтожения силы, обязательно ошибочна.
Здесь Джоуль использует язык vis viva (энергии), возможно, потому, что Ходжкинсон прочитал рецензию Юарта « О мере движущей силы» в Литературно-философском обществе в апреле 1844 года .
Джоуль написал в своей статье 1844 года :
...механическая энергия, возникающая при вращении магнитоэлектрической машины, преобразуется в тепло , выделяющееся при прохождении токов индукции через ее катушки; и, с другой стороны, что движущая сила электромагнитного двигателя получается за счет тепла, обусловленного химическими реакциями батареи, с помощью которой он работает.
В июне 1845 года Джоуль прочитал свою статью «О механическом эквиваленте тепла» на собрании Британской ассоциации в Кембридже . [11] В этой работе он сообщил о своем самом известном эксперименте, включающем использование падающего груза, в котором гравитация выполняет механическую работу, для вращения гребного колеса в изолированной бочке с водой, что привело к повышению температуры. Теперь он оценил механический эквивалент силы в 819 футо-фунтов на британскую тепловую единицу (4404 Дж/Кал). Он написал письмо в «Философский журнал», опубликованное в сентябре 1845 года, с описанием своего эксперимента. [12]
В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное измерение силы 772,692 фут-фунта на британскую тепловую единицу (4150 Дж/Кал), что ближе к оценкам двадцатого века. [13]
.png/1280px-Joule's_Apparatus_(Harper's_Scan).png)
Первоначальное сопротивление работе Джоуля во многом объяснялось ее зависимостью от чрезвычайно точных измерений . Он утверждал , что может измерять температуру с точностью до 1/200 градуса по Фаренгейту (3 мК). Такая точность, конечно, была редкостью в современной экспериментальной физике, но его сомневающиеся, возможно, пренебрегали его опытом в искусстве пивоварения и его доступом к практическим технологиям. [14] Его также умело поддержал производитель научных инструментов Джон Бенджамин Дэнсер . Эксперименты Джоуля дополнили теоретические работы Рудольфа Клаузиуса , которого некоторые считают соавтором концепции энергии. [ нужна цитата ]
Джоуль предлагал кинетическую теорию тепла (он считал, что это форма вращательной, а не поступательной кинетической энергии ), и это потребовало концептуального скачка: если тепло было формой молекулярного движения, почему движение молекул не вымирают постепенно? Идеи Джоуля требовали верить в то, что столкновения молекул совершенно упругие. Важно отметить, что само существование атомов и молекул не получило широкого признания еще 50 лет. [ нужна цитата ]
Хотя сегодня может быть трудно понять привлекательность теории теплорода , в то время казалось, что у нее есть некоторые явные преимущества. Успешная теория тепловых двигателей Карно также была основана на предположении о теплородности, и только позже лорд Кельвин доказал, что математика Карно одинаково верна и без предположения о теплородности жидкости. [ нужна цитата ]
Однако в Германии Герман Гельмгольц узнал как о работе Джоуля, так и о аналогичной работе 1842 года Юлиуса Роберта фон Майера . Хотя обоими мужчинами пренебрегли с момента их публикаций, окончательная декларация Гельмгольца о сохранении энергии 1847 года отдала должное им обоим. [ нужна цитата ]
Также в 1847 году еще одну презентацию Джоуля в Британской ассоциации в Оксфорде посетили Джордж Габриэль Стоукс , Майкл Фарадей и не по годам развитый и независимый Уильям Томсон , позже ставший лордом Кельвином, который только что был назначен профессором естественной философии в университете . Глазго . Стоукс был «склонен к джоулиту», а Фарадей был «очень поражен этим», хотя и питал сомнения. Томсон был заинтригован, но настроен скептически. [ нужна цитата ]
Неожиданно Томсон и Джоуль встретились позже в том же году в Шамони . Джоуль женился на Амелии Граймс 18 августа, и пара отправилась в медовый месяц. Несмотря на семейный энтузиазм, Джоуль и Томсон через несколько дней договорились провести эксперимент по измерению разницы температур между верхом и низом водопада Каскад де Салланш , хотя впоследствии это оказалось непрактичным. [ нужна цитата ]
Хотя Томсон чувствовал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил к энергичной защите школы Карно – Клапейрона . В своем отчете об абсолютной температуре в 1848 году Томсон писал, что «преобразование тепла (или теплоты) в механический эффект, вероятно, невозможно и уж точно не обнаружено» [15] [16] – но сноска сигнализировала о его первых сомнениях в теории теплоты, ссылаясь на к «весьма замечательным открытиям» Джоуля. Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль в конце концов прочитал ее, он написал Томсону 6 октября, утверждая, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планирует дальнейшие эксперименты. Томсон ответил 27-го числа, сообщив, что 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 пожелал пойти дальше компромисса и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на двух положениях, принадлежащих соответственно Джоулю, Карно и Клаузиусу». [ нужна цитата ]
Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону со своими комментариями и вопросами. Так началось плодотворное, хотя и 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, включая эффект Джоуля-Томсона , и опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работ Джоуля и кинетической теории . [ нужна цитата ]
Кинетика – наука о движении. Джоуль был учеником Дальтона, и неудивительно, что он твердо верил в теорию атома , хотя многие ученые его времени все еще относились к ней скептически. Он также был одним из немногих людей, восприимчивых к заброшенной работе Джона Герапата по кинетической теории газов . Дальнейшее глубокое влияние на него оказала статья Питера Юарта 1813 года «О мере движущей силы». [ нужна цитата ]
Джоуль усмотрел связь между своими открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные записи показывают, что он считал тепло формой вращательного, а не поступательного движения. [ нужна цитата ]
Джоуль не мог не найти предшественников своих взглядов у Фрэнсиса Бэкона , сэра Исаака Ньютона , Джона Локка , Бенджамина Томпсона (графа Рамфорда) и сэра Хамфри Дэви . Хотя такие взгляды оправданы, Джоуль далее оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 футо-фунта на основе публикаций Румфорда. Некоторые современные авторы критиковали этот подход на том основании, что эксперименты Румфорда никоим образом не представляли собой систематические количественные измерения. В одной из своих личных заметок Джоуль утверждает, что измерения Майера были не более точными , чем измерения Рамфорда, возможно, в надежде, что Майер не предвосхитил свою собственную работу. [ нужна цитата ]
Джоулю приписывают объяснение феномена зеленой вспышки на закате в письме Манчестерскому литературно-философскому обществу в 1869 году; на самом деле он просто отметил (наброском) последний проблеск как голубовато-зеленый, не пытаясь объяснить причину явления. [17]
Джоуль умер дома в Сейле [18] и похоронен там на кладбище Бруклендс . На его надгробии написано число «772,55», его кульминационный показатель механического эквивалента тепла в 1878 году, в котором он обнаружил, что такое количество футо-фунтов работы должно быть затрачено на уровне моря, чтобы поднять температуру одного фунта воды. отот 60 °F до61 °Ф . Есть также цитата из Евангелия от Иоанна : «Мне должно делать дело Пославшего Меня, доколе есть день: приходит ночь, когда никто не может делать». [19] Паб The Wetherspoon's в Сейле , городе, где он умер, назван в его честь «JP Joule».
Среди многочисленных наград и похвал Джоуля:
В северном хоровом проходе Вестминстерского аббатства есть памятник Джоулю , [21] хотя он там не похоронен, вопреки тому, что утверждают некоторые биографии. Статуя Джоуля работы Альфреда Гилберта стоит в ратуше Манчестера , 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 Алиса Амелия (1852–1899) и второй сын Джо (род. 1854, умер через три недели).
Некролог Джеймса Джоуля.
