Джеймс Прескотт Джоуль

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. В честь учёного названа единица измерения энергии, работы и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ) — джоуль.

Биография

Ранние годы и образование

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 года в семье зажиточного пивовара Бенджамина Джоуля в Солфорде, близ Манчестера. Из-за слабого здоровья и врождённой болезни позвоночника он не посещал школу систематически. Первоначальное образование получил дома под руководством частных учителей, в том числе известного математика Джона Дальтона, который преподавал ему арифметику, алгебру, геометрию и основы физики. Дальтон, страдавший дальтонизмом, оказал значительное влияние на формирование научного мировоззрения Джоуля.

В возрасте 15 лет Джоуль начал работать на семейной пивоварне, где впоследствии стал управляющим. Параллельно он оборудовал небольшую домашнюю лабораторию, в которой проводил физические эксперименты.

Научная деятельность

Первые научные работы Джоуля были посвящены усовершенствованию электромагнитных двигателей, которые он пытался использовать для механизации процессов на пивоварне. В 1838 году он опубликовал статью о конструкции электромагнитного двигателя в журнале «Annals of Electricity». В 1840 году он открыл закон, описывающий тепловое действие электрического тока (закон Джоуля — Ленца), независимо от русского физика Эмилия Христиановича Ленца.

В 1843 году Джоуль начал серию экспериментов по определению механического эквивалента теплоты — количественного соотношения между механической работой и выделяющимся теплом. В ходе опытов он использовал различные методы: нагревание воды при вращении лопастей в калориметре (опыт с мешалкой), сжатие газа, пропускание электрического тока через проводник. Результаты этих экспериментов, опубликованные в 1843 году, показали, что количество теплоты, выделяемое при совершении механической работы, пропорционально затраченной работе. Полученное им значение механического эквивалента теплоты (около 4,2 Дж/кал) близко к современному.

В 1845 году Джоуль представил Королевскому обществу доклад «О механическом эквиваленте теплоты», в котором впервые чётко сформулировал принцип сохранения энергии. В 1847 году он встретился с Уильямом Томсоном (будущим лордом Кельвином), с которым впоследствии сотрудничал в области термодинамики. Совместно они открыли эффект охлаждения газа при адиабатическом расширении (эффект Джоуля — Томсона).

В 1850-х годах Джоуль занимался изучением кинетической теории газов, определил скорость движения молекул водорода. В 1852 году он был избран членом Лондонского королевского общества.

Поздние годы и признание

В 1860-х годах здоровье Джоуля ухудшилось, он отошёл от активной экспериментальной работы. В 1866 году он был награждён медалью Копли — высшей наградой Королевского общества. В 1872 и 1877 годах избирался президентом Британской ассоциации содействия развитию науки. В 1880 году правительство Великобритании назначило ему пожизненную пенсию за научные заслуги.

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

Научные достижения

Закон Джоуля — Ленца

В 1840 году Джоуль экспериментально установил, что количество теплоты \( Q \), выделяемое в проводнике с током, пропорционально квадрату силы тока \( I \), сопротивлению проводника \( R \) и времени прохождения тока \( t \):

\[ Q = I^2 R t \]

Этот закон, независимо открытый Эмилием Ленцем в 1842 году, стал одним из фундаментальных законов электричества и лежит в основе расчёта тепловых потерь в электрических цепях, работы нагревательных приборов и предохранителей.

Механический эквивалент теплоты

Основной вклад Джоуля в науку — экспериментальное доказательство того, что теплота является формой энергии, а не невесомой жидкостью (теплородом). В период с 1843 по 1878 год он провёл серию из четырёх серий опытов, в которых измерял количество тепла, выделяемого при механическом перемешивании воды, падении груза, сжатии газа и трении. В наиболее точном опыте (1845) он использовал калориметр с лопастями, вращаемыми падающими грузами. Результат: для нагрева 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта требуется 772 футо-фунта работы. В современных единицах — 4,155 Дж/кал (современное значение — 4,1868 Дж/кал).

Эффект Джоуля — Томсона

В 1852 году совместно с Уильямом Томсоном Джоуль обнаружил, что при медленном адиабатическом протекании газа через пористую перегородку его температура изменяется. Для большинства газов при комнатной температуре наблюдается охлаждение (положительный эффект Джоуля — Томсона), для водорода и гелия — нагревание (отрицательный эффект). Это явление используется в технике для сжижения газов.

Кинетическая теория газов

Джоуль одним из первых применил кинетическую теорию для расчёта скорости молекул. В 1848 году он вычислил среднюю скорость молекул водорода при нормальных условиях, получив значение около 1840 м/с (современное значение — около 1930 м/с). Он также показал, что кинетическая энергия молекул пропорциональна абсолютной температуре газа.

Единица измерения — джоуль

На Втором международном конгрессе электриков в 1889 году (в год смерти учёного) было предложено назвать единицу работы и энергии в честь Джеймса Прескотта Джоуля. Окончательно это название было утверждено на Международной электротехнической комиссии в 1946 году. Джоуль (Дж, J) — производная единица СИ, равная работе, совершаемой силой в 1 ньютон при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы. В системе СИ: 1 Дж = 1 Н·м = 1 кг·м²/с².

Память

• Именем Джоуля названа единица энергии в СИ.
• Название «Джоуль» носит кратер на обратной стороне Луны.
• В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Джоуля кратеру на Луне (диаметр 97 км, координаты 27,2° с. ш., 144,0° з. д.).
• В Солфорде (Манчестер) установлен памятник учёному.
• В честь Джоуля назван колледж при Манчестерском университете (Joule College).
• Портрет Джоуля был помещён на банкноту номиналом 2 фунта стерлингов (выпуск 1970-х годов).
• В 2000 году в Великобритании выпущена почтовая марка с изображением Джоуля.

Источники

• Джоуль Джеймс Прескотт // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 8.
• Храмов Ю. А. Физики : Биографический справочник. — М. : Наука, 1983.
• Карцев В. П. Джоуль, Джеймс Прескотт // Энциклопедия физики / гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая российская энциклопедия, 1998.
• Cardwell D. S. L. James Joule: A Biography. — Manchester University Press, 1989.
• Joule J. P. The Scientific Papers of James Prescott Joule. — London : Taylor and Francis, 1884.