Джоуль, Джеймс

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 года в городе Солфорд в окрестностях Манчестера. Он происходил из семьи преуспевающего пивовара. Известно, что в юном возрасте, в следствие заболевания у Джоуля обнаружили искривление позвоночника, которое серьезно ограничивало его подвижность. Поэтому он получал домашнее образование, а в свободное время помогал своему отцу на заводе. В результате в общении со сверстниками проявлялась замкнутость Джоуля. Одним из учителей Джоуля был профессор Джон Дальтон, который обучал юношу химии, физике и математике. Именно Дальтон пробудил в Джоуле интерес к научным исследованиям физических явлений. Джоуль даже организовал небольшую лабораторию в подвале дома.^[4]

Эксперименты были продуктивны настолько, что в 1838 году Джоуль создает электромагнитный двигатель собственной разработки и подает заявку на патент. Данные электродвигатели сразу же были внедрены на производство его отца в 1840 году, заменив собой паровые двигатели.^[5]

Проблема выделения теплоты при прохождении электрического тока по проводнику интересовала Джоуля в ходе его многочисленных экспериментов. В ходе проведения экспериментов в декабре 1840 года Джоуль измерял гальванометром силу переменного тока, сравнивал его с сопротивлением медного провода. Величину сопротивления медного провода Джоуль принял за единицу. В ходе эксперимента по вычислению количества выделяемой теплоты участок цепи в специально калиброванной трубке помещался в воду налитую в калориметр. Используя сверхчувствительный ртутный термометр, измерялись малейшие изменения температуры. По итогам нескольких экспериментов в 1841 году Джоуль публикует свою работу: «О теплоте, выделяемой металлическими проводниками электричества и аккумуляторными элементами при электролизе».^[10][11]

В ней впервые упомянут вывод о том, что температура нагревания (количество теплоты) проводника прямо пропорциональна его сопротивлению, помноженному на время и силу тока в квадрате.^[11]

Двумя годами позже независимо от Джоуля таких же результатов в ходе своих опытов достиг Генрих Фридрих Эмиль Ленц, поэтому данный закон был назван законом Джоуля-Ленца.^[10]

В 1852 году Джоулем и Томпсоном было открыто явление, которое заключалось в эффекте изменения температуры газа при прохождении им сужения или расширения отверстия трубки. Основным принципом работы данного эффекта является зависимость температуры газа от интенсивности взаимодействия молекул газа под воздействием скорости их движения и их кинетической энергии при постоянном давлении газа. Так, молекулы газа проходя через узкое отверстие или среду, состоящую из множества пор, многократно сталкиваются между собой, увеличивая свою кинетическую энергию, а, следовательно, и скорость с температурой. Эффект достигается благодаря двум основным процессам: компрессии и экспанзии. Опыт проходил следующим образом: газ изначально был в состоянии высокой температуры и высоким давлением проходит через узкое отверстие, увеличивая в итоге свой объем и снижая температуру и давление (экспанзия), затем вновь проходя через узкое отверстие газ вновь повышал свою температуру и давление (компрессия).^[12]

Джоуль активно проводил множество экспериментов. В 1842 году, изучая свойства ферромагнитных металлов, впервые установил их свойство изменять свою форму под воздействием магнитного поля (эксперимент проводился с образцом никеля). Некоторыми исследователями также утверждается, что Джоуль вычислил скорость молекулы газа. В 1867 году Джоуль проводил эксперименты по определению стандартов сопротивления электрических токов в рамках своей работы в Комитете Английской ассоциации по стандартам электрического сопротивления. Первый из экспериментов, в основе которого лежал принцип теплового воздействия токов, показал незначительное расхождение результатов с калориметром. Эксперимент необходимо было повторить, так с 1875 года по 1878 год путем множественного повторения опытов вычисление стандарта сопротивления, основанное на тепловом воздействии токов доказали свою эффективность и практичность. Также они показали необходимость совершенствования стандарта сопротивления.^[13]

В 1850 году избран членом Лондонского королевского общества. В 1852 году за работы по количественному эквиваленту тепла награждён первой Королевской медалью. В 1860 году избран почётным президентом Манчестерского литературного и философского общества.

Получил научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа (1857), доктора гражданского права Оксфордского университета (1860), доктора права (LL.D.) Эдинбургского университета (1871)^[14].

В 1866 году Джоулю присуждена медаль Копли, в 1880 году — медаль Альберта. В 1878 году правительством ему была назначена пожизненная пенсия в 215 фунтов.

В 1872 и 1877 годах дважды избирался президентом Британской научной ассоциации^[15].

На втором Международном конгрессе электриков, проходившем в 1889 году — год смерти Джоуля, его именем названа унифицированная единица измерения работы, энергии, количества теплоты, для которой не требовался коэффициент перехода между механической работой и теплом (механический эквивалент тепла), ставшая одной из производных единиц СИ с собственным именем.

В Манчестерской ратуше установлен памятник Джоулю работы скульптора Альфреда Гильберта, напротив памятника Дальтону.

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Джеймса Джоуля кратеру на обратной стороне Луны.

Опубликовал 97 научных работ, из которых около 20 были написаны совместно с Томсоном и Лайоном Плэфэром; большинство совместных работ относятся к применению механической теории тепла к теории газов, молекулярной физике и акустике. Значительная часть работ посвящена совершенствованию экспериментальной и измерительной аппаратуры. Сочинения собраны в двухтомнике, изданном Физическим обществом в Лондоне 1884—1887) и переведены в 1872 году Германом Шпренгелем на немецкий язык^[16].

Главные работы:

• Joule, J. P. On Electro-Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1838. — Т. V. — С. 187. — «Об электромагнитных силах».
• Joule, J. P. On the Producing of Heat by Voltaic Electricity // Proceedings of the Royal Society. — 1840 (December, 17). — «О выделении тепла электричеством».
• Joule, J. P. On New Class of Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1841. — Т. VIII. — С. 219. — «О новом классе магнитных сил».
• Joule, J. P. On the Electric Origin of the Heat of Combustion // Philosophical Magazine Series 3. — 1841. — Т. XX. — С. 98. — «Об электрической природе тепла сгорания».
• Joule, J. P. On the Electrical Origin of Chemical Heat // Philosophical Magazine Series 3. — 1843. — Т. XXII. — С. 204. — «Об электрической природе химического тепла».
• Joule, J. P. On the Heat evolved during the Electrolysis of Water // Memoirs of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1843. — Т. VII. — С. 87. — «О тепле, выделяемом при электролизе воды».
• Joule, J. P. On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat // Philosophical Magazine Series 3. — 1843. — Т. XXIII. — С. 263, 347, 435. — «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и о механическом эквиваленте тепла».
• Joule, J. P. On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air // Philosophical Magazine Series 3. — 1845. — Т. XXVI. — С. 369. — «Об изменениях температуры при разрежении и конденсации воздуха».
• Joule, J. P. On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power // Philosophical Magazine Series 3. — 1845. — Т. XXVII. — С. 205. — «О существовании эквивалентного соотношения между теплом и обычными формами механической энергии».
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat, as determined from the Beat evolved by the Agitation of Liquids // Reports of British Association. — 1847. — С. 55. — «О механическом эквиваленте тепла, определённом от трения, возникающего при перемешивании жидкостей тепла».
• Joule, J. P. Expériences sur l’Identité entre le Calorique et la Force méchanique. Détermination de l’équivalent par la Chaleur dégagée pendant la friction du Mercure // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. — 1847. — № August 23. — «Эксперименты об эквивалентности тепловой и механической энергии. Определение количественного эквивалента тепла, выделяемого при трении ртути».
• Joule, J. P. On Matter, Living Force, and Heat // Manchester Courier. — 1848 (May, 5). — «О материи, живой силе и теплоте».
• Joule, J. P. On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars // Philosophical Magazine Series 3. — 1848. — Т. XXX. — С. 76, 225. — «О влиянии магнетизма на размеры чугунных и стальных тел».
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat, and on the Constitution of the Elastic Fluids // Reports of British Association. — 1848. — С. 21. — «О механическом эквиваленте тепла и о строении упругих жидкостей».
• Joule, J. P. On Mechanical Appearnce of Lighting // Philosophical Magazine Series 3. — 1850. — Т. XXXVII. — С. 127. — «О механическом явлении свечения».
• Joule, J. P. On the Heat disengaged in Chemical Combinations // Philosophical Magazine Series 4. — 1852. — Т. III. — С. 481. — «О тепле, высвобождаемом при химических реакциях».
• Joule, J. P. On the Economical Production of Mechanical Effect from Chemical Forces // Manchester Memoirs. — 1852. — Т. X. — С. 173. — «Об экономическом эффекте механических проявлений химических реакций».
• Joule, J. P.,. Introductory Research on the Induction of Magnetism by Electrical Currents // Philosophical Magazine Series 4. — 1856. — С. 287. — «Вводные исследования по магнитной индукции, вызванной электрическими токами».
• Joule, J. P. On the Fusion of Metals by Voltage Electricity // Manchester Memoirs. — 1856. — Т. XIV. — С. 173. — «О плавке металлов электричеством».
• Joule, J. P. On the utilization of the Sewage of London and other Large Towns // Manchester Memoirs. — 1856. — Т. XV. — С. 146. — «Об утилизации сточных вод в Лондоне и других крупных городах».
• Joule, J. P.,. On an Improved Galvanometer // Philosophical Magazine Series 4. — 1857. — Т. XV. — С. 432. — «Об усовершенствованном гальванометре».
• Joule, J. P.,. On some Thermo-Dynamic Properties of Solids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 91. — «О некоторых термодинамических свойствах твёрдых тел».
• Joule, J. P.,. On Thermal Effects of Compressing Fluids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 133. — «О температурных эффектах при сжимании жидкостей».
• Joule, J. P.,. On Surface Condensation of Steam // Philosophical Transactions. — 1861. — Т. CLI. — С. 133. — «О поверхностной конденсации пара».
• Joule, J. P. On Probable Cause of Electrical Storms // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1862. — Т. II. — С. 218. — «О возможной природе гроз».
• Joule, J. P. Notes on Mirage at Douglas // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1863. — Т. III. — С. 39. — «Заметки о мираже в Дугласе».
• Joule, J. P. On a Sensitive Barometer // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1863. — Т. III. — С. 47. — «О чувствительном барометре».
• Joule, J. P. Note on the Meteor of February 6, 1818 // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1863. — Т. III. — С. 213. — «Заметки о метеорите 6 февраля 1818 года».
• Joule, J. P. On an Apparcctus for determining the Horizontal Magnetic Intensity in Absolute Measure // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1867. — Т. VI. — С. 129. — «О приборе для определения горизонтальной напряжённости магнитного поля в абсолютных величинах».
• Joule, J. P. On a New Magnetic Dip-Circle // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1867. — Т. VI. — С. 129. — «О новом магнитом инклинометре».
• Joule, J. P. On the Alleged Action of Cold in rendering Iron and Steel brittle // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1871. — Т. X. — С. 91. — «О предполагаемом влиянии холода на повышение хрупкости чугуна и стали».
• Joule, J. P. On the Magnetic Storm of February, 1872 // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1872. — Т. XI. — С. 91. — «О магнитной буре в феврале 1872 года».