Джеймс Джул

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Англия — 11 октября 1889, Сейл, Чешир, Англия) — английский физик, пивовар и предприниматель, один из основоположников термодинамики и закона сохранения энергии. Наиболее известен экспериментальным доказательством эквивалентности теплоты и механической работы, а также открытием закона, описывающего тепловое действие электрического тока (закон Джоуля — Ленца). В честь учёного названа единица измерения энергии, работы и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ) — джоуль.

Биография

Ранние годы и образование

Джеймс Джоуль родился 24 декабря 1818 года в семье зажиточного пивовара Бенджамина Джоуля в Солфорде, графство Ланкашир. Из-за слабого здоровья и особенностей характера он получал образование преимущественно на дому. С 1834 по 1837 год обучался у известного английского химика и физика Джона Дальтона, который привил ему интерес к точным экспериментам и математическому анализу. Под влиянием Дальтона Джоуль начал проводить собственные исследования, сначала в области электричества, а затем — теплоты.

Научная деятельность

Первые научные работы Джоуля были посвящены усовершенствованию электромагнитных двигателей. В 1840 году он опубликовал статью, в которой описал явление выделения тепла в проводнике с током. В 1841 году он сформулировал количественный закон, связывающий количество выделяемого тепла с силой тока и сопротивлением проводника (закон Джоуля). В 1842 году независимо от него этот же закон был открыт русским физиком Эмилием Христиановичем Ленцем, поэтому в русскоязычной научной литературе он известен как закон Джоуля — Ленца.

В 1843 году Джоуль начал серию экспериментов по определению механического эквивалента теплоты. В ходе знаменитого опыта с падающим грузом, вращающим лопасти в калориметре с водой, он показал, что механическая работа, затраченная на перемешивание жидкости, приводит к её нагреву, и установил количественное соотношение: 1 калория тепла эквивалентна 4,2 джоуля механической работы. Эти результаты были опубликованы в 1845 году в работе «О механическом эквиваленте теплоты».

В 1847 году Джоуль познакомился с Уильямом Томсоном (будущим лордом Кельвином). Их совместная работа привела к открытию эффекта охлаждения газа при его расширении без совершения внешней работы (эффект Джоуля — Томсона). В 1852 году они экспериментально подтвердили это явление.

Поздние годы и признание

Несмотря на значимость открытий, Джоуль долгое время не получал широкого признания в научном сообществе. Его работы были восприняты скептически, особенно со стороны сторонников теории теплорода. Ситуация изменилась после выступления Уильяма Томсона на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в 1847 году, где он высоко оценил труды Джоуля.

В 1850 году Джоуль был избран членом Лондонского королевского общества (аналог академии наук). В 1866 году он получил Королевскую медаль, а в 1880 году — медаль Копли. В 1872 году правительство Великобритании назначило ему пожизненную пенсию за научные заслуги.

Джеймс Джоуль скончался 11 октября 1889 года в Сейле. Похоронен на кладбище Бруклендс.

Научные достижения

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике с электрическим током. Формулировка: количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Математически выражается формулой: \( Q = I^2 R t \), где \( Q \) — количество теплоты, \( I \) — сила тока, \( R \) — сопротивление, \( t \) — время. Этот закон стал основой для расчётов тепловых потерь в электрических цепях и работы нагревательных приборов.

Механический эквивалент теплоты

Джоуль экспериментально доказал, что теплота и механическая работа являются взаимопревращаемыми формами энергии. В серии опытов (1843–1849) он использовал падающие грузы для вращения лопастей в калориметре. Измеряя повышение температуры воды и затраченную механическую работу, он установил, что для нагрева 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта требуется работа, эквивалентная падению 772 фунтов с высоты 1 фут. В современных единицах это значение составляет 4,184 Дж/кал. Этот результат стал одним из экспериментальных обоснований закона сохранения энергии.

Эффект Джоуля — Томсона

Совместно с Уильямом Томсоном Джоуль открыл явление изменения температуры газа при его адиабатическом расширении через пористую перегородку (дросселирование). Для большинства газов при комнатной температуре расширение приводит к охлаждению, что используется в технике для сжижения газов. Исключение составляют водород и гелий, которые при определённых условиях могут нагреваться.

Увековечение памяти

• Единица измерения: в 1889 году, в год смерти учёного, на Международном конгрессе электриков было принято решение назвать единицу энергии и работы в системе СИ джоулем (Дж, J).
• Памятники и мемориалы: в Солфорде установлен памятник Джеймсу Джоулю; его имя носит местный колледж (Salford City College, кампус Джоуля). В здании пивоварни, где он работал, открыт музей.
• Награды: Лондонское королевское общество учредило медаль Джоуля за выдающиеся достижения в области физики.
• Наука: именем Джоуля назван кратер на обратной стороне Луны.

Источники

• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• Dictionary of Scientific Biography. — New York: Charles Scribner's Sons, 1973. — Vol. 7.
• Joule, James Prescott. The Scientific Papers of James Prescott Joule. — London: Taylor and Francis, 1884.