В истории науки механический эквивалент тепла утверждает, что движение и тепло взаимозаменяемы и что в каждом случае заданное количество работы будет генерировать то же самое количество тепла, при условии, что выполненная работа полностью преобразуется в тепловую энергию. Механический эквивалент тепла был концепцией , которая сыграла важную роль в развитии и принятии закона сохранения энергии и становлении науки термодинамики в 19 веке. Его независимое и одновременное открытие Джеймсом Прескоттом Джоулем и Юлиусом Робертом фон Майером привело к спору о приоритете .
.png/1280px-Joule's_Apparatus_(Harper's_Scan).png)
Бенджамин Томпсон , граф Рамфорд, наблюдал тепло трения, вырабатываемое при сверлении пушки в арсенале в Мюнхене, Бавария, около 1797 года. Рамфорд погрузил ствол пушки в воду и подготовил специально затупленное сверло. Он показал, что вода может вскипятиться примерно за два с половиной часа и что запас тепла трения, по-видимому, неисчерпаем.
На основе своих экспериментов он опубликовал « Экспериментальное исследование источника тепла, возбуждаемого трением » (1798), Philosophical Transactions of the Royal Society, стр. 102. Эта научная работа бросила существенный вызов устоявшимся теориям тепла и положила начало революции 19 века в термодинамике. Эксперимент вдохновил Джеймса Прескотта Джоуля на работу в 1840-х годах. Более точные измерения Джоуля по эквивалентности сыграли решающую роль в создании кинетической теории за счет теории теплорода . Идея об эквивалентности тепла и работы была также предложена Юлиусом Робертом фон Майером в 1842 году в ведущем немецком физическом журнале и независимо Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1843 году в ведущем британском физическом журнале. Подобная работа была проведена Людвигом А. Колдингом в 1840–1843 годах, хотя работа Колдинга была малоизвестна за пределами его родной Дании.
Сотрудничество Николя Клемана и Сади Карно в 1820-х годах имело некоторые родственные мысли, близкие к тем же направлениям. [1] В 1845 году Джоуль опубликовал статью под названием «Механический эквивалент тепла», в которой он указал численное значение для количества механической работы, необходимой для производства единицы тепла . В частности, Джоуль экспериментировал с количеством механической работы, производимой трением, необходимым для повышения температуры фунта воды на один градус по Фаренгейту , и нашел постоянное значение 778,24 фут-фунт силы (4,1550 Дж · кал −1 ). Джоуль утверждал, что движение и тепло взаимозаменяемы и что в каждом случае заданное количество работы будет генерировать одинаковое количество тепла. Фон Майер также опубликовал численное значение для механического эквивалента тепла в 1845 году, но его экспериментальный метод был не столь убедительным.
Хотя стандартизированное значение 4,1860 Дж·кал −1 было установлено в начале 20-го века, в 1920-х годах было окончательно осознано, что константа — это просто удельная теплоемкость воды, величина, которая изменяется в зависимости от температуры в пределах от 4,17 до 4,22 Дж· г −1 · °C −1 . Изменение единицы измерения стало результатом упадка калории как единицы в физике и химии .
И фон Майер, и Джоуль столкнулись с первоначальным пренебрежением и сопротивлением, несмотря на публикации в ведущих европейских физических журналах, но к 1847 году многие ведущие ученые того времени обратили на них внимание. Герман Гельмгольц в 1847 году опубликовал то, что считается окончательной декларацией сохранения энергии . Гельмгольц извлек уроки из публикаций Джоуля, хотя в конечном итоге Гельмгольц пришел к выводу, что приоритет принадлежит как Джоулю, так и фон Майеру.
Также в 1847 году Джоуль выступил с докладом, на котором присутствовало много людей, на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки . Среди присутствовавших был Уильям Томсон . Томсон был заинтригован, но поначалу отнесся к этому скептически. В течение следующих двух лет Томсон все больше убеждался в теории Джоуля, наконец, признав свою убежденность в печати в 1851 году, одновременно отдав должное фон Майеру. Томсон сотрудничал с Джоулем, в основном по переписке, Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество продолжалось с 1852 по 1856 год. Его опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетической теории .
Однако в 1848 году фон Майер впервые увидел работы Джоуля и написал во Французскую академию наук, чтобы заявить о приоритете. Его письмо было опубликовано в Comptes Rendus , и Джоуль быстро отреагировал. Тесные отношения Томсона с Джоулем позволили ему оказаться втянутым в спор. Пара планировала, что Джоуль признает приоритет фон Майера в идее механического эквивалента, но заявит, что экспериментальная проверка остается за Джоулем. Соратники, коллеги и родственники Томсона, такие как Уильям Джон Маккорн Ранкин , Джеймс Томсон , Джеймс Клерк Максвелл и Питер Гатри Тейт, объединились, чтобы отстаивать дело Джоуля.
Однако в 1862 году Джон Тиндаль , в одном из своих многочисленных экскурсов в популярную науку и многочисленных публичных споров с Томсоном и его окружением, прочитал лекцию в Королевском институте под названием «О силе » [1] , в которой он приписал фон Майеру изобретение и измерение механического эквивалента тепла. Томсон и Тейт были возмущены, и на страницах Philosophical Magazine и довольно популярного Good Words состоялся недостойный публичный обмен письмами . Тейт даже прибег к защите дела Колдинга в попытке подорвать позиции фон Майера.
Хотя Тиндаль снова поддержал позицию фон Майера в своей работе «Тепло: режим движения» (1863) с публикацией статьи сэра Генри Энфилда Роско « Термодинамика» в журнале Edinburgh Review в январе 1864 года, репутация Джоуля была окончательно запечатлена, в то время как для фон Майера наступил период безвестности.
Медиа, связанные с Механический эквивалент тепла на Wikimedia Commons