Джеймс Прескотт Джоуль

Народився Джеймс Прескотт Джоуль 24 грудня 1818 у місті Солфорд. Його батько був багатим пивоваром, тому до 15-ти років Джоуль виховувався в сім'ї і здобув домашню освіту. Протягом декількох років його вчив математиці, фізиці, основам хімії відомий фізик і хімік Джон Дальтон, під впливом якого Джоуль вже у віці 19-ти років почав експериментальні дослідження. Саме Дальтон прищепив Джоулю любов до науки і пристрасть до збору та осмислення чисельних даних, на яких засновані наукові теорії і закони. Але математична підготовка Джоуля була слабкою, що надалі дуже заважало йому в дослідженнях і, можливо, не дало йому зробити ще значніші відкриття.

У 1838 в журналі «Аннали електрики» («Annals of Electricity») з'явилася його стаття з описом електромагнітного двигуна, в 1840 він виявив ефект магнітного насичення, в 1842 — явище магнетострикції.

У Джоуля не було жодної професії і жодної іншої роботи, окрім допомоги в управлінні батьковим заводом. Аж до 1854, коли завод нарешті був проданий, Джоуль працював на ньому і уривками, ночами, займався своїми дослідами. Після 1854 року у Джоуля з'явилися і час, і кошти, щоб побудувати у власному будинку фізичну лабораторію і повністю присвятити себе експериментальній фізиці. Згодом Джоуль мав матеріальні труднощі і для продовження досліджень звернувся по фінансову допомогу до королеви Вікторії.

Дослідний прилад Джоуля для вивчення тепла, 1845

Протягом 1837–1847 років Джоуль увесь вільний час присвятив різноманітним експериментам з перетворення різних форм енергії — механічної, електричної, хімічної — в теплову енергію. Він розробив термометри, що вимірювали температуру з точністю до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому проводити вимірювання з найкращою для того часу точністю. Під впливом робіт Майкла Фарадея Джоуль приступив до вивчення теплових ефектів струму, результатом чого стало відкриття закону, що називається тепер законом Джоуля — Ленца. Згідно з цим законом, кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом, є пропорційною до електричного опору провідника і сили струму у квадраті.

У 1843 Джоуль зайнявся новою проблемою: доказом існування кількісного співвідношення між «силами» (як тоді називали енергію) різної природи, що приводять до виділення тепла. Перші його досліди полягали у вимірюванні кількості тепла, що виділяється в посудині з водою, в якій під дією вантажу, що опускається, обертався електромагніт, а сама посудина була поміщена в магнітне поле. У цих дослідах він уперше визначив механічний еквівалент теплоти (4,5 Дж/кал в сучасних одиницях), а в подальші роки досліджував теплові ефекти при продавлюванні рідини через вузькі отвори (1844), стисненні газу (1845) тощо. Всі ці досліди привели Джоуля до відкриття закону збереження енергії. Згодом його ім'ям була названа одиниця вимірювання всіх видів енергії (джоуль) — механічної, теплової, електричної, випромінення тощо.

У червні 1847 року Джоуль зробив доповідь на зборах Британської асоціації учених, в якій він повідомив про найточніші вимірювання механічного еквівалента теплоти. Доповідь стала поворотним пунктом в його кар'єрі. У 1850 Джоуль був обраний членом Лондонського королівського товариства. Він став одним з найавторитетніших учених свого часу, володарем багатьох титулів та нагород.

У 1847 Джоуль познайомився з Вільямом Томсоном, відомим як лорд Кельвін, і досліджував разом з ним поведінку газів в різних умовах. Результатом цієї співпраці стало відкриття ефекту охолоджування газу при повільному адіабатичному протіканні його через пористу перегородку (ефект Джоуля-Томсона). Цей ефект використовується для скраплення газів. Крім того, Джоуль разом із лордом Кельвіном побудував термодинамічну температурну шкалу, розрахував теплоємність деяких газів, обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури.

У 1854 році Джоуль продав завод, що залишився йому від батька, і цілком присвятив себе науці. Невтомно працюючи все в тій же області, Джоуль до смерті обнародував 97 наукових робіт, з яких близько 20 зроблені у співавторстві з Вільямом Томсоном і Л. Плефером; більшість з них стосується застосування механічної теорії тепла до теорії газів, молекулярної фізики і акустики і належать до класичних робіт з фізики.

Помер Джоуль в Сейлі 11 жовтня 1889 року. Він похований там же, на кладовищі району Бруклендс, на його могильній плиті вигравіюване число 772.55, що відповідає значенню механічного еквівалента теплоти у фунтах-футах на британську теплову одиницю. У Вестмінстерському абатстві є меморіал Джоуля, а в Манчестерській ратуші стоїть статуя Джоулю роботи Альфреда Гилберта.

Дослідницка установка Джоуля для визначення механічного еквівалента теплоти (1847). Вантаж, що справа, змушував лопаті, занурені у воду, обертатись, в результаті чого вода нагрівалась

Експериментальне визначення механічного еквівалента теплоти відіграло вирішальну роль у встановленні і підтвердженні закону збереження і перетворення енергії.

Починаючи з 1843 року Джоуль шукає підтвердження принципу збереження енергії й намагається якнайточніше обчислити механічний еквівалент теплоти. У перших дослідах вимірює нагрівання рідини, у яку занурений соленоїд із залізним осердям, що обертався у магнітному полі електромагніта з проведенням вимірювань для випадків замкнутої та розімкнутої обмотки електромагніта. Згодом удосконалює експеримент, виключивши обертання уручну через урухомлення електромагніта тягарцем, що опускався. За результатами вимірювань формулює залежність[3][4]:

Результати експериментів публікує у 1843 році у статті «Про тепловий ефект магнітоелектрики та механічному значенні тепла»[5]. У 1844 році формулює перший варіант закону теплоємності складних кристалічних тіл, відомий як закон Джоуля — Коппа, який у 1864 отримав остаточне формулювання й експериментальне підтвердження у публікаціях Германа Коппа.

Згодом (1844), Джоуль дослідним шляхом визначає тепловиділення при протисканні рідини через вузькі трубки, у 1845 році визначає теплоту при стисненні газу, а у досліді 1847 року порівнює затрати енергії на обертання мішалки у рідині з теплотою, яка утворилась в результаті цього[6].

У працях 1847—1850 років дає точніші значення механічного еквівалента теплоти. Він скористався металевим калориметром з крильчаткою. На вал крильчатки намотувалась нитка з двома кінцями, що звисають і до яких кріпились тягарці. В експерименті визначалась кількість теплоти, що виділялась від тертя при обертанні крильчатки у рідкому середовищі. Ця кількість теплоти порівнювалась з роботою, виконаною тягарцями при опусканні.

Еволюція значень механічного еквівалента теплоти, отримана Джоулем експериментально (в футо-фунтах або футо-фунт-силі на британську теплову одиницю):

• 838 (4,51 Дж/кал), 1843;
• 770 (4,14 Дж/кал), 1844;
• 823 (4,43 Дж/кал), 1845;
• 819 (4,41 Дж/кал), 1847;
• 772,692 (4,159 Дж/кал), 1850.

Останнє значення близьке до результатів точних вимірювань, проведених у XX столітті.

Статуя Джоуля в будинку міської ради Манчестера

Могила Дж. Джоуля на кладовищі району Бруклендс у Сейлі

Джоуль був членом Лондонського королівського товариства, отримав почесні звання доктора honoris causa Триніті коледжу в Дубліні (1857), Оксфордського університету (1861), Единбурзького (1871) і Лейденського (1875) університетів; у 1878 році йому призначена урядом довічна пенсія в 200 фунтів стерлінгів.

Твори Джоуля зібрані в двотомнику під назвою «Scientific papers by J. P. Joule» (2 т., Лондон, 1884-87).

Серед нагород і почестей, яких був удостоєний учений, — золота медаль Лондонського королівського товариства (1852), медаль Коплі (1866), медаль Альберта (1880). У 1872 і 1877 Джоуль був обраний президентом Британської асоціації з розповсюдження наукових знань.

На честь фізика названо астероїд 12759 Джоуль[7]

• Закон Джоуля

З 97-ми опублікованих наукових праць значна частина робіт присвячена удосконаленню дослідницької та вимірювальної апаратури. Опубліковані статті зібрані у двотомнику, що виданий Фізичним товариством у Лондоні (1884—1887)[8] [9] й перекладені у 1872 році Германом Шпренгелем німецькою. Основні праці:

• Joule, J. P. On Electro-Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1838. — Т. V. — С. 187. — «Про електромагнітні сили».
• Joule, J. P. On the Producing of Heat by Voltaic Electricity // Proceedings of the Royal Society. — 1840 (December, 17). — «Про виділення тепла електрикою».
• Joule, J. P. On New Class of Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1841. — Т. VIII. — С. 219. — «Про новий клас магнітних сил».
• Joule, J. P. On the Electric Origin of the Heat of Combustion // Philosophical Magazine Series 3. — 1841. — Т. XX. — С. 98. — «Про електричну природу тепла згоряння».
• Joule, J. P. On the Electrical Origin of Chemical Heat // Philosophical Magazine Series 3. — 1843. — Т. XXII. — С. 204. — «Про електричну природу хімічного 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. — «Про тепло, зо виділяється при електролізі води».
• 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. — «Про тепловий ефект магнітоелектрики й про механічний еквівалент 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. — «Про змінени температури при розрідженні та конденсації повітря».
• 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. — «Про існування еквівалентного співвідношення між теплом і звичайними формами механічної енергії».
• 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. — «Про механічний еквівалент тепла, визначений за тертям, що виникає при перемішуванні рідин».
• Joule, J. P. On Matter, Living Force, and Heat // Manchester Courier. — 1848 (May, 5). — «Про матерію, живу силу й теплоту».
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat, and on the Constitution of the Elastic Fluids. // Reports of British Association. — 1848. — С. 21. — «Про механічний еквівалент тепла й про будову пружних рідин».
• Joule, J. P. On Mechanical Appearnce of Lighting // Philosophical Magazine Series 3. — 1850. — Т. XXXVII. — С. 127. — «Про механічне явище світіння».
• Joule, J. P. On the Heat disengaged in Chemical Combinations // Philosophical Magazine Series 4. — 1852. — Т. III. — С. 481. — «Про тепло, яке вивільняється при хімічних реакціях».
• Joule, J. P. On the Fusion of Metals by Voltage Electricity // Manchester Memoirs. — 1856. — Т. XIV. — С. 173. — «Про плавлення металів електрикою».
• Joule, J. P.,. On an Improved Galvanometer // Philosophical Magazine Series 4. — 1857. — Т. XV. — С. 432. — «Про удосконалений гальванометр».
• Joule, J. P.,. On some Thermo-Dynamic Properties of Solids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 91. — «Про деякі термодинамічні властивості твердих тіл».
• Joule, J. P.,. On Thermal Effects of Compressing Fluids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 133. — «Про температурні ефекти при стисканні рідин».
• Joule, J. P. On a Sensitive Barometer // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1863. — Т. III. — С. 47. — «Про чутливий барометр».
• 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. — «Про прилад для визначення горизонтальної напруженості магнітного поля в абсолютних величинах».
• 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. — «Про передбачуваний вплив холоду на підвищення крихкості чавуну і сталі».

• Joule J. P. The Scientific Papers of James Prescott Joule. - London: Dawsons of Pall Mall, 1963.
• Classic papers of 1845 and 1847 at ChemTeam website On the Mechanical Equivalent of Heat and On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
• Joule's paddle-wheel apparatus at London Science Museum
• Some Remarks on Heat and the Constitution of Elastic Fluids, Joule's 1851 estimate of the speed of a gas molecule.
• University of Manchester material on Joule — includes photographs of Joule's house and gravesite
• Dictionary of National Biography (1892) — entry for Joule
• Dr. Joule. Electrical Engineer (London) (October 18): 311 – 312. 1889. Процитовано 16 травня 2008.- obituary with brief comment on Joule's family
• Джоуль Дж. Об определении механического эквивалента тепла. — В сб.: Классики физической науки. М., 1983.
• Храмов Ю. А. История физики. — К. : Фенікс, 2006. — 1176 с. — ISBN 966-651-320-X.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — К. : Наукова думка, 1977. — 512 с.
• Голин Г. М., Филонович С. Р. Джоуль. Об определении механического эквивалента тепла (предисловие) // Классики физической науки. — М. : Высшая школа, 1989. — С. 382—385. — 50 000 прим. — ISBN 5-06-000058-3.

• Джоуль // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.

• Джеймс Прескотт Джоуль на krugosvet.ru