Джоуль, Джеймс

Джеймс Прескотт Джоуль
англ. James Prescott Joule
Джеймс Прескотт Джоуль
Дата рождения	24 декабря 1818(1818-12-24)
Место рождения	Солфорд, Ланкашир, сейчас Большой Манчестер, Англия
Дата смерти	11 октября 1889(1889-10-11) (70 лет)
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.