Джеймс Джоуль

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Великобритания — 11 октября 1889, Сейл, Чешир, Великобритания) — британский физик, пивовар и предприниматель, один из основоположников термодинамики. Внёс фундаментальный вклад в обоснование закона сохранения энергии, установил количественную связь между механической работой и теплотой (механический эквивалент теплоты), а также сформулировал закон теплового действия электрического тока (закон Джоуля — Ленца). В честь Джоуля названа единица измерения энергии, работы и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ) — джоуль (Дж).

Биография

Ранние годы и образование

Джеймс Джоуль родился 24 декабря 1818 года в семье зажиточного пивовара Бенджамина Джоуля в Солфорде, близ Манчестера. Из-за слабого здоровья и травмы позвоночника в детстве он не посещал школу систематически. Первоначальное образование получил дома, а затем в течение двух лет (1834–1835) обучался частным образом у известного английского химика и физика Джона Дальтона, который привил ему интерес к точным экспериментам и математическому анализу. Дальтон, страдавший к тому времени дальтонизмом, обучал Джоуля основам арифметики, геометрии, алгебры, химии и физики. После смерти Дальтона в 1844 году Джоуль продолжил самообразование, изучая труды ведущих учёных того времени.

Работа на пивоварне и научная деятельность

С 1835 года Джоуль работал на семейной пивоварне «Joule & Son» в Солфорде, где отвечал за техническое оснащение и модернизацию производства. Пивоваренное дело требовало точного контроля температуры, давления и механических процессов, что стимулировало его интерес к физическим измерениям. Первые научные опыты Джоуля были посвящены усовершенствованию паровых машин и электромагнитных двигателей, которые он пытался внедрить на производстве. В 1838 году он опубликовал свою первую научную статью «Об электричестве» в журнале «Annals of Electricity».

Семья и поздние годы

В 1847 году Джоуль женился на Амелии Грейнджер. У супругов родились сын Бенджамин Артур и дочь Алиса. После смерти жены в 1854 году Джоуль отошёл от активной научной работы, посвятив себя воспитанию детей и управлению пивоварней, которая к тому времени пришла в упадок. В 1872 году он перенёс инсульт, после которого его здоровье значительно ухудшилось. Последние годы жизни провёл в доме своего сына в Сейле, Чешир, где и скончался 11 октября 1889 года. Похоронен на кладбище Бруклендс в Солфорде.

Научные достижения

Механический эквивалент теплоты

Главным научным достижением Джоуля стало экспериментальное доказательство того, что теплота является формой энергии, а не невесомой жидкостью (теплородом), как считалось ранее. В серии опытов, проведённых в 1840-х годах, он измерял количество теплоты, выделяющееся при совершении механической работы. Наиболее известный эксперимент (1843–1847) заключался во вращении лопастного колеса в калориметре с водой. Грузы, опускающиеся под действием силы тяжести, вращали колесо, которое перемешивало воду, нагревая её за счёт трения. Тщательно измеряя работу, совершённую грузами, и повышение температуры воды, Джоуль установил, что для нагрева 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта требуется 772 футо-фунта работы. В пересчёте на современные единицы это соответствует значению 4,155 Дж/кал (современное точное значение — 4,184 Дж/кал). Результаты были опубликованы в статье «О механическом эквиваленте теплоты» (1845).

Закон Джоуля — Ленца

В 1841 году Джоуль независимо от русского физика Эмилия Христиановича Ленца (1832) открыл закон теплового действия электрического тока. Он установил, что количество теплоты \( Q \), выделяемое в проводнике с током, пропорционально квадрату силы тока \( I \), сопротивлению проводника \( R \) и времени протекания тока \( t \): \[ Q = I^2 R t \] Этот закон, известный как закон Джоуля — Ленца, стал основой для расчёта тепловых потерь в электрических цепях и работы электронагревательных приборов. Джоуль опубликовал свои результаты в 1841 году в статье «О тепловом эффекте электричества».

Закон сохранения энергии

Работы Джоуля по механическому эквиваленту теплоты стали ключевым экспериментальным обоснованием закона сохранения энергии. В 1847 году он выступил с публичной лекцией в Манчестере, где изложил свои выводы. В том же году на заседании Британской ассоциации содействия развитию наук в Оксфорде он встретился с Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), который первоначально скептически отнёсся к его идеям, но впоследствии стал соавтором и активным сторонником. Совместная работа Джоуля и Томсона привела к открытию эффекта Джоуля — Томсона (изменение температуры газа при дросселировании), что имело практическое значение для развития криогенной техники.

Другие исследования

Помимо термодинамики, Джоуль занимался изучением:

• Магнитострикции — изменения размеров ферромагнитных материалов под действием магнитного поля (1842).
• Электрического сопротивления — установил, что сопротивление проводника зависит от его температуры.
• Скорости звука в газах — провёл измерения, уточнившие значения скорости звука в воздухе и других газах.

Признание и наследие

Научные награды и звания

При жизни Джоуль получил признание научного сообщества:

• 1850 год — избран членом Лондонского королевского общества (FRS).
• 1852 год — награждён Королевской медалью Лондонского королевского общества.
• 1860 год — избран иностранным членом Шведской королевской академии наук.
• 1866 год — награждён медалью Копли.
• 1870 год — избран почётным членом Эдинбургского королевского общества.
• 1872 год — удостоен звания доктора гражданского права Оксфордского университета.

Увековечение памяти

• Единица измерения энергии, работы и количества теплоты в СИ — джоуль (Дж) — названа в его честь в 1889 году, через два месяца после смерти учёного, на II Международном конгрессе электриков в Париже.
• Имя Джоуля носит кратер на обратной стороне Луны (диаметр 97 км, координаты 27,3° с. ш., 144,0° з. д.).
• В Солфорде установлен памятник учёному, а в здании бывшей пивоварни «Joule & Son» открыт музей науки.
• В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Джоуля кратеру на Луне.
• В честь Джоуля назван астероид (12760) Джоуль, открытый в 1993 году.

Влияние на науку

Работы Джоуля заложили основы термодинамики как самостоятельной науки. Его экспериментальные методы и точность измерений стали образцом для последующих поколений физиков. Совместно с Юлиусом Робертом фон Майером и Германом фон Гельмгольцем Джоуль считается одним из первооткрывателей закона сохранения энергии. Его идеи способствовали отказу от теории теплорода и утверждению механической теории теплоты, что в конечном итоге привело к формулировке первого начала термодинамики.

Интересные факты

• Джоуль был глубоко религиозным человеком и считал, что его научные открытия подтверждают божественный порядок мироздания.
• Несмотря на отсутствие формального университетского образования, он вёл активную переписку и сотрудничал с ведущими учёными своего времени, включая Майкла Фарадея и Уильяма Томсона.
• Семейная пивоварня Джоуля обанкротилась в 1854 году, после чего учёный сосредоточился на научной работе, но так и не смог получить постоянную академическую должность.
• В 1847 году, когда Джоуль впервые публично представил свои результаты по механическому эквиваленту теплоты, многие учёные, включая Майкла Фарадея, отнеслись к ним с недоверием. Лишь после повторных экспериментов и поддержки Томсона его работы были признаны.

Источники

• Джоуль, Джеймс Прескотт // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983. — С. 107–108.
• Карцев В. П. Джеймс Прескотт Джоуль. — М.: Наука, 1984. — 192 с.
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. — 1850. — Vol. 140. — P. 61–82.
• Thomson, W. (Lord Kelvin). The Life of William Thomson, Baron Kelvin of Largs. — London: Macmillan, 1910. — Vol. 1. — P. 267–290.