Джеймс Прескотт Джоуль

Джеймс Прескотт Джоуль FRS FRSE
Родившийся	( 1818-12-24 )24 декабря 1818 г. Салфорд , Ланкашир , Англия
Умер	11 октября 1889 г. (1889-10-11)(70 лет) Продажа , Чешир , Англия
Гражданство	Британский
Известен	Первый закон термодинамики Опровержение теории калорийности
Супруг (а)	Амелия Граймс Взаимодействие с другими людьми Взаимодействие с другими людьми ( М.  1847 г. умер 1854)
Дети	Бенджамин Артур Элис Амелия Генри
Награды	Королевская медаль (1852 г.) Медаль Копли (1870 г.) Медаль Альберта (1880 г.)
Научная карьера
Поля	Физика
Влияния	Джон Далтон Джон Дэвис

Электродвигатель, подаренный Кельвину Джеймсом Джоулем в 1842 году. Музей Хантера , Глазго.

Джеймс Прескотт Джоуль FRS FRSE ( / dʒ aʊ l , dʒ uː l / ; ^{[1] [2] [a]} 24 декабря 1818 - 11 октября 1889), английский физик , математик и пивовар , родился в Солфорде , Ланкашир . Джоуль изучил природу тепла и обнаружил его связь с механической работой (см. Энергию ). Это привело к закону сохранения энергии , который, в свою очередь, привел к развитиюпервый закон термодинамики . Производная единица энергии в системе СИ , джоуль , названа в его честь.

Он работал с лордом Кельвином, чтобы разработать абсолютную термодинамическую шкалу температуры , которую стали называть шкалой Кельвина . Джоуль также наблюдал за магнитострикцией и обнаружил взаимосвязь между током через резистор и рассеиваемым теплом , что также называется первым законом Джоуля . Его эксперименты по преобразованию энергии были впервые опубликованы в 1843 году.

Ранние годы [ править ]

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 известного 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, подавая электрический ток друг другу и слугам семьи. ^[4]

Став взрослым, Джоуль руководил пивоварней. Наука была просто серьезным увлечением. Примерно в 1840 году он начал исследовать возможность замены паровых двигателей пивоварни новым изобретенным электродвигателем . Его первые научные статьи на эту тему были опубликованы в « Анналах электричества» Уильяма Стерджена . Джоуль был членом Лондонского электротехнического общества , основанного Стердженом и другими.

Отчасти мотивированный 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 тепла , которое выделяется при соответствующем действии любого гальванического тока пропорциональна квадрату интенсивности этого тока, умноженному на сопротивление к проведению которой он испытывает . ^[5] Далее он понял, что сжигание фунта угля в паровой машине было более экономичным, чем использование дорогостоящего фунта цинка в электрической батарее.. Джоуль уловил выход альтернативных методов с точки зрения общего стандарта, способности поднять массу весом один фунт на высоту одного фута , фут-фунта .

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 конвертируемости энергии . В 1843 году он опубликовал результаты экспериментов, показывающие, что эффект нагрева, который он количественно оценил в 1841 году, был вызван выделением тепла в проводнике, а не его передачей от другой части оборудования. Это был прямой вызов теории калорийности, согласно которой тепло не может быть создано или уничтожено. Теория калорий доминировала в мышлении в науке о тепле с момента ее введения Антуаном Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех Сади КарноТепловая теория теплового двигателя в России с 1824 года гарантировала, что юному Джоуля, работающему вне академических кругов или инженерной профессии, предстоит трудный путь вперед. Сторонники теории калорийности легко указали на симметрию эффекта Пельтье-Зеебека, чтобы заявить, что тепло и ток могут быть преобразованы, по крайней мере приблизительно, в обратимом процессе .

Механический эквивалент тепла [ править ]

Дальнейшие эксперименты и измерения с его электродвигателем привели к тому, что Джоуль оценил механический эквивалент тепла как 4,1868 джоулей на калорию работы по повышению температуры одного грамма воды на один градус Кельвина. ^[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. Пропустив воду через перфорированный цилиндр, он смог измерить небольшое вязкое нагревание жидкости. Он получил механический эквивалент силы в 770 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4140 Дж / кал). Тот факт, что значения, полученные как электрическими, так и чисто механическими средствами, соответствовали по крайней мере одному порядку величины , по Джоуля, убедительным доказательством реальности превращаемости работы в тепло.

Куда бы ни прилагалась механическая сила, всегда получается точный эквивалент тепла.

-  Дж. П. Джоуль, август 1843 г.

Джоуль попробовал третий путь. Он измерил выделяемое тепло по сравнению с работой, выполняемой при сжатии газа. Он получил механический эквивалент силы в 798 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4290 Дж / кал). Во многих отношениях этот эксперимент был самой легкой мишенью для критиков Джоуля, но Джоуль избавился от ожидаемых возражений с помощью хитроумных экспериментов. Джоуль прочитал его статью в Королевском обществе 20 июня 1844, ^{[8] [9]} , но его работа была отвергнута к публикации Королевского общества , и он должен был быть содержание с публикацией в Philosophical Magazine в 1845. ^[10] В документ, он был категорически в своем отрицании калорийности рассуждений Карно и Эмиля Клапейрона., отвержение, частично мотивированное теологией:

Я полагаю, что эта теория ... противоречит общепризнанным принципам философии, потому что она приводит к выводу, что vis viva может быть разрушена неправильным расположением аппарата: Таким образом, г-н Клапейрон делает вывод, что `` температура огня равна 1000 ° с до 2000 ° C выше , чем у котла есть огромная потеря живой силы при прохождении тепла от печи к котлу. Полагая, что способность разрушать принадлежит только Создателю, я утверждаю ... что любая теория, которая, когда ее претворяют в жизнь, требует уничтожения силы, обязательно ошибочна.

Джоуль здесь использует язык vis viva (энергии), возможно потому, что Ходжкинсон прочитал обзор книги Юарта « О мере движущей силы» Литературно-философскому обществу в апреле 1844 года.

Джоуль писал в своей статье 1844 года:

... механическая сила, прилагаемая к вращению магнитоэлектрической машины, преобразуется в тепло, выделяемое при прохождении индукционных токов через ее катушки; и, с другой стороны, что движущая сила электромагнитного двигателя получается за счет тепла из-за химических реакций батареи, от 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, связанном с использованием падающего груза, в котором гравитация выполняет механическую работу, для вращения гребного колеса в изолированной бочке с водой, что повысило температуру. Теперь он оценил механический эквивалент силы в 819 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4 404 Дж / кал). Он написал письмо в Philosophical Magazine, опубликованное в сентябре 1845 года, с описанием своего эксперимента. ^[12]

В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное значение 772,692 фут-фунта силы на британскую тепловую единицу (4150 Дж / кал), что ближе к оценкам двадцатого века. ^[13]

Прием и приоритет [ править ]

Первоначальное сопротивление работе Джоуля во многом объяснялось его зависимостью от чрезвычайно точных измерений . Он утверждал , чтобы иметь возможность измерять температуру с точностью до ¹ / ₂₀₀ градуса по Фаренгейту (3 мК). Такая точность, безусловно, была необычной для современной экспериментальной физики, но его сомневающиеся, возможно, пренебрегли его опытом в искусстве пивоварения и его доступом к его практическим технологиям. ^[14] Его также умело поддержал создатель научных инструментов Джон Бенджамин Дэнсер . Эксперименты Джоуля дополнили теоретические работы Рудольфа Клаузиуса , которого некоторые считают соавтором концепции энергии.

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, то почему движение молекулы постепенно вымирают? Идеи Джоуля требовали от человека верить в то, что столкновения молекул были совершенно упругими. Мы также должны помнить, что само существование атомов и молекул не было общепризнанным еще 50 лет.

Хотя сегодня может быть трудно понять привлекательность теории калорийности , в то время казалось, что она имеет некоторые очевидные преимущества. Успешная теория тепловых двигателей Карно также была основана на предположении о калорийности, и только позже лорд Кельвин доказал, что математические расчеты Карно одинаково верны без предположения о теплоте жидкости.

Однако в Германии Герман Гельмгольц узнал и о работе Джоуля, и о схожей работе 1842 года Юлиуса Роберта фон Майера . Хотя обоими мужчинами не уделяли должного внимания с момента их соответствующих публикаций, окончательная декларация Гельмгольца 1847 года о сохранении энергии заслушала их обоих.

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 индивидуальный Уильям Томсон , впоследствии ставший лордом Кельвином, которого только что назначили профессором естественной философии в университете Глазго . Стоукс был «склонен быть джулитом», и Фарадей был «сильно поражен этим», хотя и питал сомнения. Томсон был заинтригован, но настроен скептически.

Неожиданно Томсон и Джоуль встретились позже в том же году в Шамони . Джоуль женился на Амелии Граймс 18 августа, и пара отправилась в свадебное путешествие. Несмотря на семейный энтузиазм, Джоуль и Томсон несколько дней спустя договорились о проведении эксперимента по измерению разницы температур между вершиной и основанием водопада Cascade de Sallanches , хотя впоследствии это оказалось непрактичным.

Хотя Томсон чувствовал, 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 «преобразование тепла (или калорийности) в механический эффект, вероятно, невозможно, и уж точно не обнаружено» ^{[15] [16]}- но сноска сигнализировала о его первых сомнениях по поводу теории калорийности, ссылаясь на «очень замечательные открытия» Джоуля. Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль, наконец, 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, показывая, что он планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух взглядов. Хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился все более неудовлетворенным теорией Карно и убеждался в теории Джоуля. В своей статье 1851 года Томсон не хотел идти дальше компромисса и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на двух положениях:из-за, соответственно, Джоуля, а также Карно и Клаузиуса ".

Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону свои комментарии и вопросы. Так началось плодотворное, хотя и во многом эпистолярное, сотрудничество между двумя мужчинами: Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество длилось с 1852 по 1856 год, его открытия, включая эффект Джоуля – Томсона , и опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетической теории .

Кинетическая теория [ править ]

Кинетика - это наука о движении. Джоуль был учеником Далтона, 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 заброшенной работе Джона Герапата по кинетической теории газов . На него также глубоко повлияла статья Питера Юарта 1813 года « О мере движущей силы» .

Джоуль понял связь между своими открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные записи показывают, что он считал тепло формой вращательного, а не поступательного движения.

Джоуль не мог не найти предшественников своих взглядов у Фрэнсиса Бэкона , сэра Исаака Ньютона , Джона Локка , Бенджамина Томпсона (граф Рамфорд) и сэра Хэмфри Дэви . Хотя такие взгляды оправданы, Джоуль далее оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 фунт-фут на основе публикаций Рамфорда. Некоторые современные авторы критикуют этот подход на том основании, что эксперименты Рамфорда никоим образом не представляют систематических количественных измерений. В одной из своих личных заметок Джоуль утверждает, что измерения Майера были не более точными, чем измерения Рамфорда, возможно, в надежде, что Майер не ожидал своей собственной работы.

Джоуля приписывают объяснение феномена зеленой вспышки заката в письме в Манчестерское литературно-философское общество в 1869 году; на самом деле, он просто отметил (с помощью наброска) последний проблеск как сине-зеленый, не пытаясь объяснить причину явления. ^[17]

Опубликованная работа [ править ]

Почести [ править ]

Джоуль умер дома в Сале ^[18] и похоронен там на кладбище Бруклендс . На его надгробии начертано число «772,55», его кульминационное измерение механического эквивалента тепла 1878 года, в котором он обнаружил, что это количество фут-фунтов работы должно быть затрачено на уровне моря, чтобы повысить температуру одного фунта воды. изОт 60 ° F до61 ° F . Также есть цитата из Евангелия от Иоанна : «Я должен совершить дело Пославшего меня, пока есть день; наступает ночь, когда никто не может работать». ^{[Иоанна 9: 4]} Паб Уэтерспуна в Сале , городе, где он умер, назван в его честь "The JP Joule". Семейная пивоварня Джоуля сохранилась до наших дней, но теперь она находится на Маркет Дрейтон . ^[19]

Многие награды и награды Джоуля включают:

• Член Королевского общества (1850)
  • Королевская медаль (1852 г.), «За статью о механическом эквиваленте тепла, напечатанную в« Philosophical Transactions »за 1850 г.»
  • Медаль Копли (1870 г.), «За экспериментальные исследования динамической теории тепла»
• Президент Манчестерского литературно-философского общества (1860 г.)
• Президент Британской ассоциации развития науки (1872, 1887)
• Почетное членство в Институте инженеров и кораблестроителей Шотландии ^[20] (1857 г.)
• Почетные степени:
  • LL.D. , Тринити-колледж, Дублин (1857 г.)
  • DCL , Оксфордский университет (1860 г.)
  • Доктор юридических наук, Эдинбургский университет (1871 г.)
• В 1878 году Джоуль получал гражданскую пенсию в размере 200 фунтов стерлингов в год за заслуги перед наукой.
• Альберт медаль из Королевского общества искусств (1880 г.), «за создание, после самых кропотливых исследований, истинное соотношение между теплом, электричеством и механической работой, таким образом , предоставляя инженер уверенного руководства в применении науки к промышленным занятиям»

Существует мемориал джоуль в северном проходе хора в Вестминстерском аббатстве , ^[21] , хотя он не похоронен, вопреки тому , что некоторые государства биографий. Статуя Джоуля работы Альфреда Гилберта стоит в ратуше Манчестера напротив статуи Далтона.

Семья [ править ]

В 1847 году Джоуль женился на Амелии Граймс. Джоуль овдовела, когда умерла в 1854 году, через 7 лет после их свадьбы. ^[3] У них было трое детей: сын Бенджамин Артур Джоуль (1850–1922), дочь Алиса Амелия (1852–1899) и второй сын Джо (родился в 1854 году, умер через три недели). ^[22]

См. Также [ править ]

• Джоулевое расширение
• Второй закон Джоуля
• Эффект Гофа-Джоуля
• Магнитное сопротивление
• Скрытая теплота
• Явное тепло
• Внутренняя энергия

Ссылки [ править ]

Сноски [ править ]

Цитаты [ править ]

Источники [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме: Джеймс Прескотт Джоуль

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Джеймсом Прескоттом Джоуль

В Wikisource есть оригинальные работы, написанные Джеймсом Прескоттом Джоулем или о нем.

• Портреты Джеймса Прескотта Джоуля в Национальной портретной галерее, Лондон
• Научные статьи Джеймса Прескотта Джоуля (1884 г.) - примечания Джоуля
• Совместные научные работы Джеймса Прескотта Джоуля (1887 г.) - примечания Джоуля
• Классические статьи 1845 и 1847 годов на веб-сайте ChemTeam О механическом эквиваленте тепла и о существовании эквивалентной связи между теплом и обычными формами механической энергии
• Аппарат водяного трения Джоуля в Лондонском музее науки
• Некоторые замечания о тепле и строении упругих жидкостей , оценка Джоуля 1851 года скорости молекулы газа
• Рукописи Джоуля в Библиотеке Джона Райлендса , Манчестер.
• Материал Манчестерского университета о Джоуля - включает фотографии дома Джоуля и могилы.
• Лаборатория физики Джоуля в Салфордском университете