Джоуль, Джеймс

← другие однофамильцы Джоуль

Джеймс Прескотт Джоуль

англ. James Prescott Joule

Джеймс Прескотт Джоуль

Дата рождения

24 декабря 1818 года

Место рождения

Солфорд, Ланкашир, сейчас Большой Манчестер, Англия

Дата смерти

11 октября 1889 года

Место смерти

Сэйл (Большой Манчестер), Чешир, Англия, Великобритания

Научная сфера

физика

Награды и премии

Королевская медаль (1852) медаль Копли (1866),
Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1880)

Джеймс Пре́скотт Джо́уль (24 декабря 1818, в Солфорде, Ланкашир, сейчас Большой Манчестер — 11 октября 1889 в Сейле, Чешир) — выдающийся английский физик и член Лондонского королевского общества с 1850 года. Он открыл, что тепловая и механическая энергия взаимозаменяемы, и что их преобразования происходят в определённой пропорции, известной как механический эквивалент тепла. Своими экспериментами он опроверг преобладающую теорию калорийности тепла, что препятствовало научному прогрессу. В своих исследованиях он руководствовался религиозными убеждениями, часто включая в речи ссылки на Бога и Божье творение.

Биография

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 года в городке Салфорд, недалеко от Манчестера, Англия. Он был вторым из пятерых детей в семье богатого владельца завода. В своём детстве Джеймс был хилым и застенчивым ребёнком, страдавшим проблемами с позвоночником. Эти факторы, ограничивающие его физическую активность, побудили его углубиться в науку вместо физических занятий. Хотя в дальнейшем проблемы с позвоночником не так сильно беспокоили его, они оказали влияние на его жизнь.

До пятнадцати лет Джеймс получал образование дома. После этого он начал работать на производстве, принадлежащем его семье. Он и его старший брат продолжали при этом посещать частные уроки в Манчестере. Когда отец заболел, Джеймс и его брат вступили в дела на заводе, и у Джеймса не было возможности поступить в университет. Тем не менее, его стремлением было продолжить образование, поэтому он организовал себе лабораторию дома и начал проводить эксперименты каждый день до и после работы. Джоуль видел свою научную работу как проявление его христианской веры, утверждая, что «познание законов природы означает не что иное, как изучение Божьего разума, выраженного в этих законах».

В 1839 году Джоуль начал серию экспериментов, направленных на изучение взаимосвязи между механической работой, электричеством и теплотой. В 1840 году он представил результаты своих исследований в Королевское Научное Общество в Лондоне, которое является ведущим научным сообществом Великобритании. Эти исследования, известные сегодня как закон Джоуля, не вызвали особого интереса в Королевском Научном Обществе, и были опубликованы лишь краткие данные.

Принцип сохранения энергии, который лежит в основе работы Джоуля, стал основой для нового научного направления, называемого термодинамикой. Хотя Джоуль не был первым, кто предложил этот принцип, он стал первым, кто доказал его справедливость. Томсон и другие учёные впоследствии значительно расширили область термодинамики, однако Джоуль заслуженно считается её основателем.

Учёный глубоко осознавал духовное значение своих открытий. Он выражал: «Явления природы, будь то механические, химические или жизненные, суть в постоянном превращении… одни в другие. Это свидетельствует о порядке во Вселенной — ничто не теряется, всё идёт гармонично благодаря сложному механизму, управляемому суверенной волей Бога».

Джоуль был преданным христианином, известным своим терпением и смирением. Он стремился исполнять волю Божью и не видел противоречий между своей научной деятельностью и верой в Писание. Многие его коллеги разделяли эту точку зрения. На фоне распространения дарвинизма в то время, 717 учёных подписали манифест под названием «Декларация Учёных в области Естествознания и Физики» в Лондоне в 1864 году, подтверждая свою веру в научную достоверность Священного Писания. Среди подписавших было 86 членов Научного Королевского Общества, включая выдающегося учёного Джеймса Джоуля.

Джоуль твердо верил в Бога как Творца. Его слова отражают приоритеты, которыми он руководствовался: «Познав и подчинившись воле Божьей, следующей целью должно быть осознание Его мудрости, силы и доброты, проявленных в Его творении».

В 1840 году он обнаружил эффект насыщения при намагничивании ферромагнетиков и магнитострикцию в 1842 году. В 1841 году он установил зависимость количества выделяемой теплоты в проводнике с электрическим током от величины тока и сопротивления проводника (закон Джоуля — Ленца), опубликовав это независимо от Э. Х. Ленца. С 1843 — 1850 годы он продемонстрировал возможность превращения механической энергии в тепловую и расчёт механического эквивалента теплоты, что стало экспериментальным обоснованием закона сохранения энергии. Он рассматривал теплоту как движение частиц, теоретически определил теплоёмкость некоторых газов и установил, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). Совместно с У. Томсоном он обнаружил и изучил охлаждение газа при его адиабатическом протекании через пористую перегородку в период с 1852 — 1862 годы (эффект Джоуля — Томсона). Джеймс Прескотт Джоуль был удостоен Золотой медали Лондонского королевского общества в 1852 году и медали Копли Лондонского королевского общества в 1866 году. Единица энергии, количества теплоты и работы, джоуль, была названа в честь Джоуля.

Научная деятельность

Исследования тепла и электричества

В 1838 году учёный опубликовал свои первые научные работы о электричестве в журнале «Летопись электричества», основанном и руководимом Уильямом Стердженом. Он открыл, что количество выделяемого тепла при прохождении электрического тока пропорционально квадрату тока и сопротивлению, что стало известно как закон Джоуля. Он надеялся произвести впечатление на Королевское общество, но узнал, что его считают всего лишь простым провинциальным дилетантом. Стёрджен переехал в Манчестер в 1840 году и они стали важной частью городской интеллигенции. Оба разделяли убеждение, что наука и теология могут быть интегрированы. Джоуль продолжал читать лекции в галерее практических наук Ройал Виктория в Манчестере. Он также опубликовал статью в «Анналы электричества» Стёрджена, демонстрируя, что работа электродвигателя не изменяется от изменения конструкции или размеров батареи, используемой для подачи электрического тока. В 1840 году он представил Королевскому обществу доклад о производстве тепла вольтовым электричеством, показав, что тепло, образующееся химической реакцией, может проявляться в энергии, вырабатываемой электродвигателем или за счёт тепла, выделяемого в электрическом сопротивлении в цепи. Позже он выяснил, что для производства работы в 143 фут- фунта необходимо столько же цинка, сколько угля. Однако в электрической батарее было произведено лишь 80 фут-фунтов. По результатам исследования Джоуль показал, что электродвигатель, который выполняет ту же работу, что и паровой двигатель, будет стоить в двадцать раз дороже. Джоуль старался объяснить явления электричества и магнетизма с помощью концепции атомов, окружённых «тепловым эфиром в состоянии вибрации».

Эквивалентность механической работы и тепла

В 1843 году он опубликовал результаты своих экспериментов, демонстрирующих, что эффект нагрева, который он количественно определил, был вызван выделением тепла в проводнике, а не его передачей от другой части оборудования. Это стало напрямую вызовом для теории калорийности, согласно которой тепло не может быть ни создано, ни уничтожено. Теория калорийности доминировала в тепловых научных представлениях с момента представления её Антуаном Лавуазье в 1783 году. Известный престиж Лавуазье и успешность теплового двигателя Сади Карно с 1824 года привели к тому, что молодому Джоулю долгое время не удавалось найти работу в академических или инженерных кругах. Карно показал, что работа, выполняемая тепловыми двигателями, такими как паровые, зависит от разницы в высоких и низких температурах, при которых они функционируют, и что максимальная эффективность достигается при определённых температурах. Хотя исследование Карно было проведено из перспективы теории калорийности, анализ личных документов Карно после его смерти показал, что его выводы о природе тепла были практически идентичны тем, к которым пришёл Джоуль.

Кинетическая теория

Джоуль, будучи учеником Далтона, впитал твёрдую уверенность в атомную теорию, что неудивительно, учитывая своего наставника, хотя многие учёные его времени оставались скептически настроенными. Он также проявил интерес к забытой работе Джона Герапат по кинетической теории газов, что отличало его от большинства. Эта теория предполагает, что различные явления, проявляющиеся в поведении газов — такие как сжатие под действием давления и рост давления при повышении температуры — могут быть объяснены представлением о том, что газ состоит из мельчайших частиц, свободно двигающихся и сталкивающихся со стенками контейнера. Исходя из этой гипотезы, Джоуль с использованием простой алгебры смог определить среднюю скорость таких молекул. В своём расчёте он предполагал, что газ, находящийся в кубическом контейнере, разделён на три частицы, каждая из которых сталкивается назад, а четвёртая — между противоположными сторонами куба. Таким образом, он пришёл к выводу о скорости в 6225 футов в секунду, которая была необходима этим частицам для поддержания измеренного давления. Джоуль опубликовал эти результаты в 1851 году.

Награды

• Член Королевского общества (1850 год).
• Удостоен Королевской медали (1852 год).
• Получил медаль Копли (1870 год).
• Занимал должность Президента Манчестерского литературно-философского общества (1860 год).
• Был Президентом Британской ассоциации развития науки (1872 год).

Удостоен почётных степеней:

• Доктор юридических наук, Тринити-колледж в Дублине (1857 год).
• DCL, Оксфордский университет (1860 год).
• Доктор юридических наук, Эдинбургский университет (1871 год).
• Был удостоен гражданской пенсии в размере 200 фунтов стерлингов ежегодно за заслуги перед наукой в 1878 году.
• Получил Медаль Альберта Королевского общества искусств (1880 год).

В северном хоровом проходе Вестминстерского аббатства установлен памятник Джоулю, хотя он не похоронен там, как ошибочно утверждают некоторые биографии. Статуя Альфреда Гилберта находится в ратуше Манчестера напротив статуи Далтона.

Личная жизнь

В 1844 году Джоуль познакомился с Амелией Граймс, которая через три года стала его женой. В браке у них родилось двое детей, и в то же время Джеймс получил возможность открыть новую, более оборудованную лабораторию. Но счастливую семейную жизнь омрачила смерть Амелии в 1854 году.

Смерть и память

В последние годы учёный серьёзно заболел, и это послужило причиной его ухода 11 октября 1889 года. Джеймс Джоуль дожил до 70-летнего юбилея и вёл уединённый образ жизни в британском Чешире.

В 1889 году прошёл второй Международный конгресс учёных-электриков, на котором было решено назвать унифицированную единицу измерения энергии, работы и количества теплоты именем физика. Эта единица стала одной из основных единиц в системе измерений, носящей его имя.

В городской ратуше Манчестера, недалеко от памятника учёному Дальтону, воздвигнут памятник в честь Джеймса Джоуля. Автором скульптуры является Альфред Гильберт.

Примечания

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Джоуль, Джеймс», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Джоуль,_Джеймс» «https://znanierussia.ru/articles/Джоуль,_Джеймс». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»