Джеймс Прескотт Джоуль

Джеймс Прескотт Джоуль ФРС ФРСЭ
Рожденный	( 1818-12-24 ) 24 декабря 1818 г. Салфорд , Ланкашир, Англия
Умер	11 октября 1889 г. (1889-10-11) (70 лет) Сейл , Чешир, Англия
Гражданство	Британский
Известный	Опровержение теории калорийности Первый закон термодинамики Механический эквивалент тепла Магнитострикция цикл Джоуля Эффект Джоуля Джоулево расширение первый закон Джоуля Второй закон Джоуля Эффект Джоуля – Томсона
Супруг	Амелия Граймс ( м. 1847; умер в 1854 г.)
Дети	Бенджамин Артур Алиса Амелия Генри
Награды	Королевская медаль (1852 г.) Медаль Копли (1870 г.) Медаль Альберта (1880 г.)
Научная карьера
Поля	Физика

Электродвигатель, подаренный Кельвину Джеймсом Джоулем в 1842 году. Хантерианский музей , Глазго.

Джеймс Прескотт Джоуль FRS FRSE ( / dʒ uː l / ; 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 . — производная единица энергии в системе СИ джоуль . В его честь названа

Вместе с лордом Кельвином он разработал абсолютную термодинамическую температурную шкалу, которая стала называться шкалой Кельвина . Джоуль также проводил наблюдения за магнитострикцией и обнаружил связь между током через резистор теплом и рассеиваемым , которую также называют первым законом Джоуля . Его эксперименты по превращению энергии были впервые опубликованы в 1843 году.

Ранние годы

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 . 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.

Став взрослым, Джоуль руководил пивоварней. Наука была просто серьезным хобби. пивоварни Где-то около 1840 года он начал исследовать возможность замены паровых двигателей недавно изобретенным электродвигателем . Его первые научные статьи по этому вопросу были опубликованы в Уильяма Стерджена » «Анналах электричества . Джоуль был членом Лондонского электрического общества , основанного Стердженом и другими.

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». Далее он понял, что сжигание фунта угля в паровом двигателе было более экономичным, чем сжигание дорогостоящего фунта цинка в электрической батарее . Джоуль описал результаты альтернативных методов с точки зрения общего стандарта — способности поднять массу весом в один фунт на высоту в один фут, фут-фунт .

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 не может быть ни создано, ни уничтожено. Теория теплоты доминировала в науке о теплоте с тех пор, как она была введена Антуаном Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех Сади Карно калорической теории тепловой машины 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 , заявляя, что тепло и ток преобразуются, по крайней мере приблизительно, в обратимый процесс .

Механический эквивалент тепла

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. Он объявил о своих результатах на заседании химической секции Британской ассоциации содействия развитию науки в Корке в августе 1843 года, но был встречен молчанием.

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 фут-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 футо-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. 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.

В июне 1845 года Джоуль прочитал свою статью «О механическом эквиваленте тепла» на собрании Британской ассоциации в Кембридже . В этой работе он сообщил о своем самом известном эксперименте, включающем использование падающего груза, в котором механическую работу выполняет сила тяжести, 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.

Тепловой аппарат Джоуля, 1845 г.

В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное измерение силы 772,692 фута-фунта на британскую тепловую единицу (4150 Дж/Кал), что ближе к оценкам двадцатого века.

Прием и приоритет

О споре по поводу приоритета с Майером см. Механический эквивалент тепла § Приоритет .

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента теплоты.

Во многом первоначальное сопротивление работе Джоуля было вызвано 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. Его также умело поддержал научных инструментов производитель 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, 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.

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 доказал, также была основана на предположении о теплородности, и только позже лорд Кельвин что математика Карно одинаково верна и без предположения о теплородности жидкости.

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.

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.

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.

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, конечно, еще не обнаружено». - но сноска сигнализировала о его первых сомнениях по поводу теории теплорода, ссылаясь на «очень замечательные открытия 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».

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 .

Кинетическая теория

Джеймс Прескотт Джоуль

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».

Джоуль усмотрел 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 (графа Рамфорда) и сэра Хамфри Дэви . Хотя такие взгляды оправданы, Джоуль далее оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 футо-фунта на основании 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.

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.

Опубликованная работа

• «О тепле, выделяемом металлическими проводниками электричества и в ячейках батареи при электролизе» . Философский журнал . 19 (124): 260. 1841. doi : 10.1080/14786444108650416 .
• «О теплотворном действии магнитоэлектричества и о механической ценности тепла» . Философский журнал . 3. 23 (154): 435–443. 1843. дои : 10.1080/14786444308644766 .
• «Об изменениях температуры, вызванных разрежением и конденсацией воздуха» . Труды Лондонского королевского общества . 5 : 517–518. 1844. дои : 10.1098/rspl.1843.0031 .
• «Об изменениях температуры, вызванных разрежением и конденсацией воздуха» . Философский журнал . 3. 26 (174): 369–383. 1845. дои : 10.1080/14786444508645153 .
• «О механическом эквиваленте теплоты» . Уведомления и рефераты сообщений Британской ассоциации содействия развитию науки . 15 . 1845б. Зачитано перед Британской ассоциацией в Кембридже, июнь 1845 года.
• «О существовании эквивалентной связи между теплом и обычными формами механической энергии» . Философский журнал . 3. 27 (179): 205–207. 1845в. дои : 10.1080/14786444508645256 .
• «О механическом эквиваленте теплоты» . Философские труды Лондонского королевского общества . 140 : 61–82. 1850. дои : 10.1098/rstl.1850.0004 .
• Научные статьи Джеймса Прескотта Джоуля . Лондон: Физическое общество. 1884. ОЛ   239730М .
• Совместные научные работы . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. 1887.

• 
  Тома I и II «Научных статей»
• 
  Титульный лист первого тома «Научных статей».
• 
  Предисловие к первому тому «Научных статей».
• 
  Рисунок из тома I «Научных статей».

Почести

Статуя Джоуля в ратуше Манчестера.

Надгробие Джоуля на кладбище Бруклендс , Сейл

Джоуль умер дома в Сале и похоронен там же 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. от 60 °F до 61 °F . Есть также цитата из Евангелия от Иоанна : «Мне должно делать дело Пославшего Меня, доколе есть день: приходит ночь, когда никто не может делать». Wetherspoon's Паб в Сейле , городе, где он умер, назван в его честь «JP Joule».

Среди многочисленных наград и похвал Джоуля:

• Член Королевского общества (1850 г.)
  • Королевская медаль (1852 г.) «За статью о механическом эквиваленте тепла, напечатанную в журнале Philosophical Transactions за 1850 г.».
  • Медаль Копли (1870 г.) «За экспериментальные исследования по динамической теории тепла».
• Президент Манчестерского литературно-философского общества (1860 г.)
• Президент Британской ассоциации развития науки (1872, 1887).
• Почетное членство Института инженеров и судостроителей Шотландии. (1857)
• Почетные степени:
  • Доктор юридических наук , Тринити-колледж, Дублин (1857 г.)
  • DCL , Оксфордский университет (1860 г.)
  • Доктор юридических наук, Эдинбургский университет (1871 г.)
• Джоуль получил по гражданскому списку пенсию фунтов стерлингов в размере 200 в год в 1878 году за заслуги перед наукой.
• Медаль Альберта Королевского общества искусств (1880 г.) «за установление после самых кропотливых исследований истинной связи между теплом, электричеством и механической работой, что дает инженеру надежное руководство в применении науки в промышленных целях»

установлен памятник Джоулю В северном хоровом проходе Вестминстерского аббатства . хотя он там не похоронен, вопреки тому, что говорится в некоторых биографиях. Статуя Джоуля работы Альфреда Гилберта стоит в ратуше Манчестера , напротив статуи Далтона.

Семья

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).

См. также

• Скрытое тепло
• Ощутимое тепло
• Внутренняя энергия

Ссылки

Источники

• Аллен, HS (1943). «Джеймс Прескотт Джоуль и единица энергии» . Природа . 152 (3856): 354. Бибкод : 1943Natur.152..354A . дои : 10.1038/152354a0 . ISSN   0028-0836 . S2CID   4182911 .
• Биографический указатель бывших членов Эдинбургского королевского общества 1783–2002 гг. (PDF) . Королевское общество Эдинбурга. Июль 2006 г. ISBN.  0-902-198-84-Х . Архивировано из оригинала (PDF) 24 января 2013 года . Проверено 1 февраля 2017 г.
• Кардуэлл, Дональд С.Л. (1991). Джеймс Джоуль: Биография . Издательство Манчестерского университета. ISBN  978-0-7190-3479-4 .
• Холл, Альфред Руперт (1966). Ученые аббатства . Р. и Р. Николсон.
• Мюррей, Джеймс Огастес Генри (1901). Новый английский словарь по историческим принципам; основан главным образом на материалах, собранных Филологическим обществом . Оксфорд: Кларендон.
• Сибум, Х.О. (1995). «Переработка механического значения тепла: точные инструменты и точные жесты в ранней викторианской Англии». Исследования по истории и философии науки . 26 (1): 73–106. Бибкод : 1995ШПСА..26...73С . дои : 10.1016/0039-3681(94)00036-9 .
• Томсон, Уильям (1848). «По абсолютной термометрической шкале, основанной на теории движущей силы тепла Карно и рассчитанной на основе наблюдений Реньо». Философский журнал .
• Томсон, Уильям (1882). Математические и физические статьи . Кембридж: Университетское издательство.
• Земанский, Марк В. (1968). Теплота и термодинамика: учебник среднего уровня (5-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. OCLC   902055813 .

Дальнейшее чтение

• Боттомли, Дж. Т. (1882). «Джеймс Прескотт Джоуль» . Природа . 26 (678): 617–620. Бибкод : 1882Natur..26..617B . дои : 10.1038/026617a0 .
• Форрестер, Дж. (1975). «Химия и сохранение энергии: работы Джеймса Прескотта Джоуля». Исследования по истории и философии науки . 6 (4): 273–313. Бибкод : 1975ШПСА...6..273Ф . дои : 10.1016/0039-3681(75)90025-4 .
• Фокс, Р., «Джеймс Прескотт Джоуль, 1818–1889», в Норт, Дж. (1969). Ученые середины XIX века . Эльзевир. стр. 72–103. ISBN  0-7190-3479-5 .
• Глейзбрук, Ричард Тетли (1892). «Джоуль, Джеймс Прескотт» . В Ли, Сидни (ред.). Словарь национальной биографии . Том. 30. Лондон: Смит, Элдер и компания.
• Рейнольдс, Осборн (1892). Мемуары Джеймса Прескотта Джоуля . Том. 6. Манчестер, Англия: Манчестерское литературно-философское общество . Проверено 5 марта 2014 г.
• Смит, К. (1998). Наука об энергии: культурная история энергетической физики в викторианской Британии . Лондон: Хайнеманн. ISBN  0-485-11431-3 .
• Смит, Кросби (6 января 2011 г.). «Джоуль, Джеймс Прескотт». Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/ref:odnb/15139 . (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании .)
• Смит, К.; Уайз, Миннесота (1989). Энергия и империя: биографическое исследование лорда Кельвина . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-26173-2 .
• Стеффенс, HJ (1979). Джеймс Прескотт Джоуль и концепция энергии . Ватсон. ISBN  0-88202-170-2 .
• Уокер, Джеймс (1950). Физика 4-е издание . Пирсон. ISBN  978-0-321-54163-5 .
• «Некролог: доктор Джоуль» . Инженер-электрик (18 октября). Лондон: Биггс и компания: 311–312 . 1889. Некролог Джеймса Джоуля.

Внешние ссылки

• Портреты Джеймса Прескотта Джоуля в Национальной портретной галерее, Лондон
• Научные статьи Джеймса Прескотта Джоуля (1884 г.) - с аннотациями Джоуля.
• Совместные научные работы Джеймса Прескотта Джоуля (1887 г.) - с аннотациями 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 трения воды Джоуля в Лондонском музее науки
• Некоторые замечания о теплоте и строении упругих жидкостей , оценка Джоулем скорости молекулы газа в 1851 году.
• Рукописи Джоуля в библиотеке Манчестерского университета .
• Материалы Манчестерского университета о Джоуле - включают фотографии дома и могилы Джоуля.
• Лаборатория джоулевой физики университета Солфордского