Джеймс Прескотт Джоуль был первым человеком, доказавшим, что тепло является формой энергии
Связь между превращением электричества в теплоту и количественной закономерностью этого превращения энергии почти одновременно установили английский физик Джеймс Прескотт Джоуль и российский физик немецкого происхождения Эмиль Христианович Ленц.
Семья и образование
Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 в городе Солфорд в Великобритании. Он был вторым сыном зажиточного владельца пивоварни в Солфорде. Вместе со старшим братом он получил начальное домашнее образование.
Между 1834 и 1837 годами семидесятилетний Джон Дальтон (1766–1844) в частном порядке преподавал элементарную математику, естественные науки и химию обоим братьям. Он привил Джеймсу не только базовые математические, физические и химические знания, но и качества хорошего экспериментатора – дотошность и точность. Он был застенчивого и чувствительного нрава, с хрупким здоровьем.
С детства его интересовали поезда и паровые машины. Это, по-видимому, повлияло на его более позднее отношение к тепловой энергии и термодинамике.
Между 1837 и 1856 годами он работал на пивоварне своего отца, где его первые исследования были сосредоточены на повышении эффективности электрических двигателей для замены устаревших паровых двигателей. Отец устроил ему лабораторию, в которой он начал исследовать электромагнитные явления.
Джеймс Прескотт Джоуль (1818 - 1889)
Результаты первых экспериментов
Джеймс Прескотт Джоуль проводил свои новаторские эксперименты, которые оплачивал из собственных средств, в лабораториях, устроенных на пивоварне или в своих жилых домах. Финансовые трудности, в которых он оказался позже, вероятно, положили бы конец его экспериментам, если бы не финансовая поддержка со стороны различных научных учреждений.
В течение почти тридцати лет Джоуль занимался очень искусными исследовательскими экспериментами. Однако из-за недостаточного математического образования он не мог поспевать за бурным развитием новой научной области - термодинамики, хотя и способствовал ее развитию фундаментальными знаниями. В этом судьба Джоуля была похожа на судьбу его немецкого научного соперника Юлиуса Роберта Майера (1814–1878).
Джеймс Джоуль начал заниматься самостоятельными исследованиями в возрасте девятнадцати лет. Его исследовательская деятельность поддерживалась проницательными бизнесменами быстро развивающихся английских городов. Это было в то время, когда внимание техников и ученых было приковано к замене паровой машины паровой турбиной.
Как и в случае с паровыми двигателями и турбинами, Джоуль сосредоточил свое внимание на измерении и улучшении характеристик электромагнитов. Однако он никогда не патентовал и не продавал свои открытия.
Он обнаружил, что тела могут быть намагничены только до определенного состояния насыщения магнетизмом, которое нельзя превышать.
В 1838 году он опубликовал выводы своего исследования, основанного на измерении относительной работы. Работу электромагнита он оценивал по величине подъемной силы (масса, умноженная на единицу высоты в единицу времени). Однако в опубликованной лекции 1841 года Джоуль признал разочарование в единичной мощности электромагнитных машин по сравнению с паровыми двигателями.
Электромагнитный двигатель, Манчестер, 1860 г. Джоуль использовал этот электромагнитный двигатель в своих экспериментах с электричеством.
Рождение закона, дающего количественную оценку теплового действия электрического тока
С самого начала экспериментальной работы Джоуля его особенно привлекала проблема выделения теплоты при прохождении электрического тока по проводнику. Уже в то время британский химик Гемфри Дэви (1778–1829) считал это очень важным явлением.
Джеймсу Джоулю принадлежит приоритет в открытии закономерности, известной сегодня как закон Джоуля-Ленца. По его мнению, количество теплоты, развиваемое в проводнике в единицу времени, пропорционально величине электрического сопротивления R и квадрату силы тока I, проходящего по цепи, т. е.:
Q = RI2
Теплоту Q обычно называют джоулевой теплотой.
Закон Джоуля-Ленца гласит, что когда в проводнике течет ток, количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени прохождения тока.
Закон Джоуля был еще одной очень важной проверкой закона Ома. Здесь следует помнить отличие с эффектом Пельтье, при котором количество выделяемого тепла прямо пропорционально первой степени силы тока.
Пример применения закона Джоуля-Ленца
Собственные эксперименты Джоуля в декабре 1840 г. были очень простыми. Переменную силу тока он измерял обыкновенным гальванометром, который сделал сам. Он определил сопротивление, сравнив его с сопротивлением медного провода, величину которого принял за единицу по закону Ома.
Он погрузил измеряемую часть цепи в воду в калиброванной трубке, которую поместил в простой калориметр. Критической точкой измерения в этом эксперименте, как и во всех других, было измерение малых изменений температуры.
Успех Джоуля, безусловно, зависел от использования самого лучшего доступного термометра. Таким образом, самым точным прибором во всем его наборе был очень чувствительный ртутный термометр.
Этот свой первый закон Джоуль опубликовал в 1841 г. в трактате «О теплоте, выделяемой металлическими проводниками электричества и аккумуляторными элементами при электролизе».
Первоначальное намерение Джоуля опубликовать свои результаты через Лондонское Королевское общество было сорвано его холодным приемом. В Манчестерском литературно-философском обществе доклад об открытии Джоуля приняли более благосклонно.
В 1843 г. на основании своих опытов член Академии наук в Петербурге Генрих Фридрих Эмиль Ленц пришел к аналогичному выводу, вероятно, независимо от выводов, сделанных Джоулем. Поэтому этот закон также называют законом Джоуля-Ленца.
Вклад Джоуля в правильное понимание взаимосвязи между теплом и энергией
В последующие годы Джеймс Джоуль посвятил себя определению механического эквивалента тепла. Он исследовал генерацию тепла не током от гальванического источника, а током, создаваемым электромагнитной индукцией, открытой Майклом Фарадеем.
Прибор Джоуля для измерения механического эквивалента теплоты
В 1843 году Джеймс Джоуль открыл связь между количеством теплоты и механической работой.
Он отправил трактат в Британскую ассоциацию содействия развитию науки — значение работы и качества Джоуля были признаны Кельвином. До 1847 года работа Джоуля отвергалась. Джоуль считался любителем в научных кругах.
Среди других ученых, поддержавших Джоуля, были Майкл Фарадей и Джордж Стоукс. Благодаря этой поддержке Джеймс Джоуль смог представить свой трактат «О механическом эквиваленте тепла» (1845) в Королевском обществе в 1849 году.
Новаторские эксперименты Джоуля по взаимосвязи между теплом и механической работой были радикальными в научном мире 1850-х годов.
Прежде чем Джоуль доказал свою механическую теорию теплоты, большинство ученых придерживались калорической теории. Они думали, что тепло — это текучая субстанция, называемая «калорией», которая проникает в твердые и жидкие тела и течет от более горячих областей к более холодным. Хотя это было совершенно неправильно, многие аспекты теплоты, казалось, объяснялись калорической теорией.
Работа Джоуля опровергла эти идеи, доказав своими тщательными экспериментами, что теплота является формой энергии.
Оборудование, изготовленное и использованное Джоулем в его экспериментах, является изюминкой коллекции Музея науки и промышленности. Точное измерение температуры сделало возможным проведение тщательных тепловых экспериментов Джоуля.
Он смог измерить и записать крошечные изменения температуры, чтобы разработать свой закон сохранения энергии, который гласит, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но не может быть уничтожена.
Фотография Джеймса Прескотта Джоуля в 1871 году
Помимо научной работы, Джоуль вместе с братом занимался управлением пивоварней, доставшейся им по наследству от отца. Но когда в 1854 году умерла его жена, он решил продать пивоварню и посвятить себя только научной работе.
Он работал экспериментально и теоретически над кинетической теорией веществ, рассчитал скорость неупорядоченного теплового движения молекул газа, исследовал зависимость этой скорости от температуры, теоретически обосновал законы Бойля-Марриота и Гей-Люссака, определил удельные теплоемкости некоторых газов и выяснил характер давления газа на сосуд.
Всего Джоуль опубликовал 97 научных работ.
Статуя Джоуля в ратуше Манчестера
С 1872 по 1887 год Джеймс Джоуль занимал пост президента Британской ассоциации содействия развитию науки.
Он почти всю жизнь оставался пивоваром, так и не став профессором. Он сам финансировал все свои исследования. К сожалению, в 1875 году у него закончились деньги и с этого года начались проблемы со здоровьем.
Джеймс Прескотт Джоуль умер 11 октября 1889 года в Сейле (графство Чешир, Великобритания).