ДЖОУЛЬ (Joule), Джеймс Прескотт

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль родился в Солфорде близ Манчестера в семье богатого пивовара. Получил домашнее образование. В течение нескольких лет его учил математике, физике, началам химии известный физик и химик Джон Дальтон , под влиянием которого Джоуль уже в 19 лет начал экспериментальные исследования.

В 1838 г. в журнале «Анналы электричества» («Annals of Electricity») появилась его статья с описанием электромагнитного двигателя, в 1840 г. он обнаружил эффект магнитного насыщения, в 1842 г. – явление магнитострикции. Под влиянием работ Майкла Фарадея Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов тока, результатом чего стало открытие закона, называющегося теперь законом Джоуля – Ленца (в 1842 г. независимо этот закон был открыт русским физиком Э.Х.Ленцем). Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющейся в проводнике с током, пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Джоуль внёс большой вклад в развитие термодинамики . В 1843 г. он занялся новой проблемой: доказательством существования количественного соотношения между «силами» разной природы, приводящими к выделению тепла. Первые его опыты состояли в измерении количества тепла, выделяющегося в сосуде с водой, в котором под действием опускающегося груза вращался электромагнит, а сам сосуд был помещён в магнитное поле. В этих опытах он впервые определил механический эквивалент теплоты (4,2 Дж/кал в современных единицах), а в последующие годы исследовал тепловые эффекты при продавливании жидкости через узкие отверстия (1844), сжатии газа (1845) и т.д. Все эти опыты привели Джоуля к открытию закона сохранения энергии. Впоследствии его именем была названа единица измерения всех видов энергии – механической, тепловой, электрической, лучистой и др.

В 1847 г. Джоуль познакомился с Уильямом Томсоном и исследовал вместе с ним поведение газов в различных условиях. Результатом этого сотрудничества стало открытие эффекта охлаждения газа при медленном адиабатическом протекании его через пористую перегородку (эффект Джоуля – Томсона). Этот эффект используется для сжижения газов. Кроме того, Джоуль построил термодинамическую температурную шкалу, рассчитал теплоёмкость некоторых газов, вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры, Обнаружил явление магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков.

Среди наград и почестей, которых был удостоен учёный, – золотая медаль Лондонского королевского общества (1852), медаль Копли (1866), медаль Альберта (1880). В 1872 и 1877 гг. Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний.

Биография

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Англия, Великобритания - 11 октября 1889, Сэйл, Чешир, Англия, Великобритания) - английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.

Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой, в результате практически одновременно с Майером пришёл к концепции всеобщего сохранения энергии, что, в свою очередь, обеспечило формулировку первого закона термодинамики. Работал с Томсоном над абсолютной шкалой температуры, описал явление магнитострикции, открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля - Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов.

В честь Джоуля названа единица измерения энергии - джоуль.

Родился в семье зажиточного владельца пивоваренного завода в Солфорде близ Манчестера, получил домашнее образование, притом в течение нескольких лет его учителем по элементарной математике, началам химии и физики был Дальтон. С 1833 года (с 15 лет) работал на пивоваренном заводе, и, параллельно с обучением (до 16 лет) и занятиями наукой до 1854 года участвовал в управлении предприятием, пока оно не было продано.

Первые экспериментальные исследования начал уже в 1837 году, заинтересовавшись возможностью замены паровых машин на пивоварне на электрические. В 1838 году по рекомендации одного из своих учителей Дэвиса (англ. John Davies), близким другом которого был изобретатель электродвигателя Стёрджен, опубликовал первую работу по электричеству в научном журнале Annals of Electricity, организованном за год до этого Стёрдженом, работа была посвящена устройству электромагнитного двигателя. В 1840 году обнаружил эффект магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков, и в течение 1840-1845 годов экспериментально изучает электромагнитные явления.

Изыскивая лучшие способы измерения электрических токов, Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, устанавливающий квадратичную зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике количеством теплоты (в русской литературе фигурирует как закон Джоуля - Ленца, так как 1842 году независимо этот закон был открыт российским физиком Ленцем). Открытие не было оценено Лондонским королевским обществом, и работу удалось опубликовать лишь в периодическом журнале Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

В 1840 году в Манчестер переезжает Стёрджен и возглавляет Галерею практических знаний (англ. Royal Victoria Gallery for the Encouragement of Practical Science) - коммерческое выставочно-образовательное учреждение, куда в 1841 году приглашает Джоуля как первого лектора.

В работах начала 1840-х годов исследовал вопрос экономической целесообразности электромагнитных двигателей, поначалу полагая, что электромагниты могут быть источником неограниченного количества механической работы, но вскоре убедился, что с практической точки зрения паровые машины того времени были эффективнее, опубликовав в 1841 году выводы, что эффективность «идеального» электромагнитного двигателя на 1 фунт цинка (используемого в аккумуляторах) составляет всего лишь 20 % от эффективности парового на 1 фунт сжигаемого угля, не скрывая при этом разочарования.

В 1842 году обнаруживает и описывает явление магнитострикции, заключающееся в изменении размеров и объёма тела при изменении его состояния намагниченности. В 1843 году формулирует и публикует окончательные результаты работ по исследованию тепловыделения в проводниках, в частности, экспериментально показывает, что выделяемое тепло никоим образом не забирается из окружения, что бесповоротно опровергало теорию теплорода, сторонники которой всё ещё оставались в то время. В том же году заинтересовался общей проблемой количественного соотношения между различными силами, приводящими к выделению теплоты, и, придя к убеждению в существовании предсказанной Майером (1842) определённой зависимости между работой и количеством теплоты, ищет численное соотношение между этими величинами - механический эквивалент тепла. В течение 1843-1850 годов проводит серию экспериментов, непрерывно совершенствуя экспериментальную технику и каждый раз подтверждая принцип сохранения энергии количественными результатами[⇨].

В 1844 году семья Джоулей переехала в новый дом в Уэлли-Рэйдж (англ. Whalley Range), где для Джеймса была оборудована удобная лаборатория. В 1847 году женился на Амелии Граймс, вскоре у них появились сын и дочь, в 1854 году Амелия Джоуль умерла.

В 1847 году знакомится с Томсоном, который даёт высокую оценку экспериментальной технике Джоуля, и с которым впоследствии плодотворно сотрудничает, во многом под влиянием Джоуля формируются и представления Томсона на вопросы молекулярно-кинетической теории. В первых же совместных работах Томсон и Джоуль создают термодинамическую температурную шкалу.

В 1848 году для объяснения тепловых эффектов при повышении давления предлагает модель газа как состоящего из микроскопических упругих шариков, столкновение которых со стенками сосуда и создаёт давление, и давая оценку скорости «упругих шариков» водорода около 1850 м/c. По рекомендации Клаузиуса эта работа была опубликована в «Философских трудах Королевского общества», и, хотя в ней впоследствии были выявлены серьёзные изъяны, она оказала значительное влияние на становление термодинамики, в частности, идейно перекликается с работами по Ван-дер-Ваальса начала 1870-х годов по моделированию реального газа.

К концу 1840-х годов работы Джоуля получают всеобщее признание в научном сообществе, и в 1850 году он избран действительным членом Лондонского королевского общества.

В работах 1851 года, совершенствуя свои теоретические модели представления теплоты как движения упругих частиц, достаточно точно теоретически рассчитал теплоёмкость некоторых газов. В 1852 году обнаруживает, измеряет и описывает в серии совместных с Томсоном работ эффект изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании, известный как эффект Джоуля - Томсона, ставший впоследствии одним из основных методов получения сверхнизких температур, тем самым способствовав появлению физики низких температур как отрасли естествознания.

В 1850-е годы публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.

В 1859 году исследует термодинамические свойства твёрдых тел, измеряя тепловой эффект при деформациях, и отмечает нестандартные в сравнении с другими материалами свойства каучука.

В 1860-е годы интересуется природными явлениями, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, миражей, метеоритов.

В 1867 году Джоуль по схеме, предложенной Томсоном проводит для Британской научной ассоциации измерения эталона механического эквивалента теплоты, но получает результаты, расходящиеся со значениями, получающимися из чисто механических опытов, однако уточнение условий механических экспериментов подтвердили точность измерений Джоуля и в 1878 году эталон сопротивления был пересмотрен.

На начальных этапах деятельности Джоуль ставил эксперименты и занимался исследованиями исключительно на собственные средства, однако после продажи пивоварни в 1854 году материальное положение постепенно ухудшилось, и пришлось пользоваться финансированием различных научных организаций, а в 1878 году назначена государственная пенсия. С детства страдал из-за болезни позвоночника, а с начала 1870-х годов из-за плохого состояния здоровья практически не работал. Скончался в 1889 году

Механический эквивалент тепла

Начиная с 1843 года Джоуль ищет подтверждение принципа сохранения энергии и пытается вычислить механический эквивалент тепла. В первых опытах измеряет нагрев жидкости, в которую погружён соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита, проводя измерения в случаях сомкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита, потом усовершенствует эксперимент, исключая ручное вращение и приводя электромагнит в действие опускающимся грузом. По результатам измерений формулирует соотношение:

Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут

Результаты экспериментов публикует в 1843 году в статье «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла». В 1844 году формулирует первый вариант закона теплоёмкости сложных кристаллических тел, известный как закон Джоуля - Коппа (Копп (нем. Hermann Kopp) в 1864 году дал точную формулировку и окончательное экспериментальное подтверждение).

Далее, в опыте 1844 года измеряет тепловыделение при продавливании жидкости через узкие трубки, в 1845 году - измеряет теплоту при сжатии газа, а в опыте 1847 года сравнивает затраты на вращение мешалки в жидкости с образовавшейся в результате трения теплотой.

В работах 1847-1850 годов даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

Эволюция значений механического эквивалента тепла, полученная в экспериментах Джоуля (в футо-фунтах или футо-фунт-силе на британскую термическую единицу):
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.

Последняя оценка близка к сверхточным значениям измерений, осуществлённым в XX веке.

Борьба за приоритет в открытии закона сохранении энергии

Со второй половины 1840-х годов на страницах «Трудов Французской академии наук» (фр. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l"Académie des sciences) развернулась острая дискуссия о приоритете в открытии закона сохранения энергии для термодинамических систем между Джоулем и Майером, и, хотя публикация Майера вышла несколько раньше, он, будучи врачом по профессии, не воспринимался всерьёз, тогда как Джоуля уже поддерживали крупные физики, в частности, его доклад 1847 года в Британской научной ассоциации получил высокие оценки присутствовавших на заседании Фарадея, Стокса и Томсона. Тимирязев, позднее рассматривая эту дискуссию, отмечал последовательность аргументации Майера в борьбе с «мелкой завистью цеховых ученых ». Гельмгольц, опубликовавший принцип сохранения энергии в 1847 году, в 1851 году обращает внимание на работы Майера, а в 1852 году открыто признаёт его приоритет.

Следующий виток борьбы за приоритет произошёл в 1860-е годы, когда закон получил всеобщее признание в научной среде. Тиндаль в 1862 году в публичной лекции показывает приоритет Майера, и на его точку зрения становится Клаузиус. Тэт, известный пробританскими патриотическими взглядами, в серии публикаций настаивает на приоритете Джоуля, не признавая за работой Майера 1842 года физического содержания, ему оппонирует Клаузиус, а философ Дюринг, одновременно принижая значение работ Джоуля и Гельмгольца, активно настаивает на приоритете Майера, что во многом послужило окончательному признанию приоритета Майера.

Признание и память

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 (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

Получил научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа (1857), доктора гражданского права (англ. DCL) Оксфордского университета (1860), доктора права (LL.D.) Эдинбургского университета (1871).

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 (англ. British Association for the Advancement of Science).

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 (англ. Alfred Gilbert), напротив памятника Дальтону.

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

Джеймс Прескотт Джоуль (James Prescott Joule) родился на северо-западе Англии в городке Солфорд, что неподалеку от Манчестера, 24 декабря 1818 года. Семья Джоулей была достаточно обеспеченной – отец держал собственный пивоваренный завод. Это позволило Джеймсу получить качественное образование на дому.

Его первым учителем был Джон Дальтон – известный ученый, изучавший физику, химию и естественные науки. Он внес неоценимый вклад в научное будущее Джеймса, привив ему интерес к сбору численных данных и их логическому осмыслению. Немного не доставало мальчику лишь занятий в области математики, которые ограничивались элементарными основами. Это вызвало трудности при дальнейшей научной работе Джоуля, тем не менее, решающей роли не сыграло.

С юного возраста, в свободное от обучения время, Джеймс работает на отцовском заводе. С помощью Дальтона, он уже в 19 лет начинает свои первые научные исследования и вскоре заменяет все паровые машины пивоварни на более выгодные электрические аналоги.

Спустя год его статью публикуют в известном журнале «Annals of Electricity». В ней юный ученый описывает конструкцию и принцип работы электромагнитного двигателя. Это было лишь началом работы Джоуля в области электромагнетизма. В 1840 году, проводя исследования на ферромагнетиках, он открывает эффект магнитного насыщения, а в 1842 обнаруживает явление магнитострикции.

Одним из вдохновителей Джоуля был Майкл Фарадей и его работы о взаимодействии магнетизма и электротока. Проводя постоянные физические эксперименты в этой области, ученый приходит к одному из основных достижений своей научной карьеры – устанавливает зависимость между силой тока и выделяемой им теплотой. Согласно исследованиям Джоуля, теплота, которая выделяется в проводнике, пропорциональна его сопротивлению и квадратичной силе тока, через него проходящего.

Первое упоминание этой взаимосвязи Джоулем датируется 1841 годом, тем не менее, у этого утверждения есть и второй признанный автор – русский ученый Ленц, пришедший к схожим выводам в 1842 году. На сегодняшний день закон носит имя Джоуля-Ленца.

В 1843 году Джоуль решает развить мысль, высказанную Юлиусом Майером, о существовании взаимосвязи между выполненной механической работой и количеством выделенного при этом тепла. Для этого в колбу с водой он помещал электромагнит, который вращался под давлением грузила, при том, что сам сосуд находился в магнитном поле. Таким образом, Джоуль показывает, что теория теплорода неверна и тепло выделяется во время работы, а не из окружающего пространства. Ученому удалось вывести численное соотношение, которое известно в современной физике, как механический эквивалент тепла, равный 4,2 Дж/кал.

Описание данного эксперимента и его научную значимость Джоуль изложил в статье "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла".

Следующие несколько лет ученый продолжал исследовать выделение тепла при различных механических действиях (пропускании воды через узкие отверстия, сжатии газа и т.д). Чтобы иметь возможность проводить свои эксперименты, в 1844 году Джеймс вместе с семьей переехал в Манчестер. Они поселились в большом доме, недалеко от центра города, где для ученого была оборудована лаборатория. Там Джоуль и открыл свой знаменитый закон сохранения энергии, за который в дальнейшем его имя увековечат в качестве единицы измерения.

В 1847 году ученый знакомится с Уильямом Томсоном. Он начинает с ним совместные исследования, результатом которых стал закон Джоуля-Томсона, который используют для сжижения газов. Также двум великим ученым удается создать термодинамическую шкалу.

С помощью Томсона, работы Джоуля наконец-то привлекают внимание мирового научного сообщества, которое долгое время игнорировало талантливого физика. Он выступает с докладом на заседании в Оксфорде и производит впечатление на Британскую ассоциацию ученых.

В этом же году Джоуль женится на Амелии Граймс, в браке у них родилось двое детей.

В 1850 году Джоуля приняли в ряды Лондонского королевского общества.

1854 год стал поворотным в судьбе английского ученого. В это время умирает его жена, он продает родительскую пивоварню и с головой уходит в науку. На вырученные деньги он оборудовал себе современную лабораторию, где проводил большинство своего свободного времени. В период с 1854 по 1889 год он издал 97 научных работ, посвященных классической и молекулярной физике, акустике, теории тепла и газов.

В 1866 году ему вручили его первую награду – медаль Копли, а в 1880 и вторую – медаль Альберта.

В 1870х годах ученый стал доктором права в Эдинбургском и Лейденском университетах, получил две медали от Королевского общества, а от самой королевы Англии – рыцарское звание. В 1872 году его выбрали президентом Британской ассоциации, а позже, в 1877 – перевыбрали и на второй срок. С 1878 года Джоуль получал почетную ежемесячную пенсию в размере 215 фунтов.

Умер ученый 11 октября 1889 года в городе Сейл, вблизи Манчестера. Незадолго до смерти он выпустил двухтомный сборник со своими научными записями «Scientific papers by J. P. Joule», который содержит описание его гениальных физических опытов. Многие из них стали неотъемлемой частью современной физики.

Главная особенность научной деятельности Джоуля – это простота его экспериментов. При этом все они отличались удивительной точностью и наглядностью. Ученый был твердо убежден, что мир устроен значительно проще, чем нам кажется, и все вещи в нем взаимодействуют между собой. Нахождение подобных взаимодействий и было основным направлением всех его исследований.

В городской ратуше Манчестера в честь ученого установлен памятник, сразу напротив памятника его учителю – Дальтону.

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря, 1818 года в английском городке Салфорде, расположенном вблизи Манчестера. Он был вторым из пяти детей в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. В детстве Джоуль был слабым и стеснительным ребёнком, у которого были проблемы с позвоночником. Эти обстоятельства, ограничивающие его активность, стали причиной того, что он предпочёл науку физической деятельности. Несмотря на то, что позже проблема с позвоночником уже не так беспокоила его, это отразилось на всей его жизни.

До пятнадцати лет Джоуль обучался дома. Затем он стал работать на пивоваренном заводе, принадлежащем его семье. Тем не менее, он и его старший брат продолжали брать частные уроки в Манчестере.

С 1834 по 1837 год, известный английский химик Джон Далтон преподавал им химию, физику, научный метод и математику (как и , Далтон был христианином, верующим в Библию). Джоуль с благодарностью признавал, что Далтон сыграл основную роль в том, что он стал учёным. «Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований» - говорил Джоуль.

Когда их отец заболел, Джеймс Джоуль и его брат начали заниматься делами на пивоваренном заводе, поэтому у Джеймса не было возможности посещать университет. Но, несмотря на это, его заветным желанием было продолжать изучать науку, и поэтому он создал у себя дома лабораторию, в которой и начал проводить свои эксперименты каждый день до и после работы. Джеймс Джоуль рассматривал своё желание изучать науку как естественный результат своей христианской веры. Как он позже писал, «это очевидно, что познание законов природы означает не меньше, чем ознакомление с Божьим разумом, выраженным в этих законах» .

Джеймс джоуль был большим сторонником экспериментов

В 1839 году Джеймс Джоуль начал ряд экспериментов, в которых он исследовал механическую работу, электричество и теплоту. В 1840 году он послал свою работу "Об образовании Теплоты с помощью Вольтовского (Гальванического) Электричества" в Королевское Научное Общество в Лондоне - наверное, самое престижное общество британских учёных.

В своей работе Джеймс Джоуль показал, что количество производимой теплоты за секунду в проводе с электрическим током равно квадрату тока (I) умноженного на сопротивление (R) провода. (Это выражено формулой, P=I²R.) Эта зависимость известна как закон Джоуля (Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока ). Работа Джоуля не вызвала большого энтузиазма в Королевском Научном Обществе, и было опубликовано лишь краткое изложение полученных им данных.

В 1843 году Джоуль вычислил количество механической работы, которое необходимо для образования эквивалентного количества теплоты. Эта величина была названа "механическим эквивалентом теплоты". Он снова передал данные своих наблюдений на рассмотрение - но на этот раз Британской Ассоциации Развития науки. И опять его работа не вызвала восторженной реакции. Несколько ведущих научных журналов также отказались опубликовать данные исследований Джоуля.

Многие учёные сомневались, стоит ли принимать его работу, но Джоуль терпеливо отстаивал свои позиции. Очень часто требуется время для того, чтобы новые идеи получили своё признание, особенно если автором этих идей является непрофессионал в данной области. Данные, полученные Джоулем, бросали вызов калорической теории, которой придерживалось большинство физиков того времени. Согласно той теории, теплота считалась жидким веществом.

Другим камнем преткновения для принятия результатов исследований Джоуля было то, что учёным было трудно поверить в невероятную точность его измерений. Но в своих экспериментах Джоуль проявлял упорство и изобретательность. Эти свойства его характера очень помогли ему избежать ошибок и получить гораздо более точные результаты по сравнению с результатами предыдущих экспериментов.

Важное одобрение

Работе Джоуля относительно теплоты, электричества и механической работы не придавали большого значения вплоть до 1847 года. На его работу обратил внимание Вильям Томсон. (Томсон, который позже стал известен как лорд Кельвин, был известным учёным и посвященным христианином).

Несмотря на то, что в то время ему было всего лишь 23 года, Томсон уже был Профессором Физики при Университете в Глазго. Томпсон признал, что работа Джоуля вписывалась в объединяющую модель, которая уже тогда начинала появляться в физике, и он с восторгом одобрил работу Джоуля. (Фактически, работа Джоуля сделала существенный вклад в процесс объединения отдельных разделов физики.)

Другими учёными, которые с энтузиазмом одобрили работу Джоуля, были Майкл Фарадей и Джордж Стоукс. Они также были христианами. Одобрение нескольких выдающихся учёных открыло дверь для Джоуля, которая раньше была для него закрытой. Королевское Научное Общество готовилось пересмотреть своё отношение к работе Джоуля. В 1849 году, на слушании Королевского Научного Общества Джоуль прочитал свою работу под названием "О механическом Эквиваленте Теплоты" вместе с Фарадеем, который был его поручителем. В следующем году Королевское Научное Общество опубликовало материалы Джоуля, и он был избран членом этого престижного общества.

Новая научная дисциплина - Термодинамика

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе работы Джоуля, положил начало новой научной дисциплине, известной как термодинамика. Несмотря на то, что Джоуль не был первым учёным, который предложил этот принцип, он был первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа. И хотя Томсон и ряд других учёных позже внесли огромный вклад в термодинамику, Джоуль по праву считается главным основателем понятия . Он показал, что " работа может превращаться в теплоту с четким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу" .

Принцип сохранения энергии Джоуля лёг в основу первого закона термодинамики. Этот закон говорит о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но её можно изменять из одной формы в другую.

Исаак Азимов назвал этот закон "одним из самых важных обобщений в истории науки" . Это значит, что общее количество энергии (включая материю) во Вселенной постоянно. Как С.M. Хьюз отметил в своей книге «Крах Эволюции» : «Этот закон решительным образом показывает, что вселенная не сотворила себя! … Существующая структура Вселенной является результатом сохранения, а не нововведения, как этого требует теория эволюции».

Пока эволюционисты не могут объяснить, как образовалось это постоянное количество энергии/материи*, Библия даёт нам такое объяснение:только Бог может создавать из ничего. Святое Писание также говорит о том, что Бог поддерживает Своё творение. Все другие изменения, которые произошли в результате человеческих усилий, или сил природы, являются просто перестройкой того, что уже существует.

Джоуль хорошо понимал религиозное значение его открытий. Он писал, что "совершенно абсурдно полагать, что можно уничтожить силы, которыми Бог наделил материю, более, чем они могут быть созданы человеческой деятельностью". Закон сохранения энергии полностью соответствовал Библии, тогда как, по мнению Джоуля, некоторые аспекты калорической теории противоречили Библии.

В другом месте Джоуль писал, что «явления природы, независимо от того, механические ли, химические или жизненные, почти полностью заключаются в постоянном превращении … одних в другие. Таким образом, это значит, что во вселенной сохраняется порядок - ничего не нарушается, ничего никогда не теряется, но целый механизм, настолько сложный каков он есть, работает равномерно и гармонично… всё существующее управляется суверенной волей Бога»

Знаменитая работа Джоуля

В своей работе, имевшей огромное значение и опубликованной в 1848 году, Джоуль стал первым учёным, который подсчитал быстроту (скорость) молекул газа. Эта ранняя работа о кинетической теории газов была позже продолжена другими учёными, в особенности выдающимся шотландским физиком Джеймсом Максвеллом (ещё один посвященный христианин).

Джеймс Джоуль был одним из первых учёных, который обратил внимание на необходимость в условных единицах электричества, и он решительным образом рекомендовал создание таковых. Эта стандартизация была позже сделана под руководством Максвелла Британской Ассоциацией Развития Науки. В 1872 году Джоуль стал Президентом Британской Ассоциации и находился на этой должности до 1887 года.

В знак признания огромного вклада Джоуля в изучение связи теплоты и механического движения, единица энергии (или работы) в физике была позже названа "Джоулем".

Эффект Джоуля-Томсона

В 1852 году Джоуль начал работать вместе с Томсоном. Эти два учёных идеально дополняли друг друга - Джоуль, точный и изобретательный экспериментатор, которому не доставало лишь более углубленных знаний в математике, и Томсон, талантливый физик, сильный в математике, который занимался развитием теории, лежащей в основе физики.

К сожалению, в 1854 году после шести лет брака жена Джоуля умерла, и он остался один с маленькими детьми. Вскоре после этого семья Джоуля продала пивоваренный завод. В то время Джоуль жил относительно уединенно. Именно тогда он смог больше времени посвящать научной работе.

На протяжении следующих восьми лет Джоуль вместе с Томсоном работали над несколькими важными экспериментами для подтверждения некоторых предсказаний в новой научной области, термодинамике. Наиболее известные эксперименты касались снижения температуры, связанного с расширением газа без выполнения внешней работы. Это охлаждение газов, которое происходит по мере их расширения, известно как "Эффект Джоуля-Томсона". Этот принцип лёг в основу развития холодильной промышленности.

Талантливый экспериментатор

Во время совместной работы с Томсоном Джоуль кротко взялся за практическую роль экспериментального исследования теоретических проблем, поднимаемых Томсоном. Это была менее престижная роль в плодотворном сотрудничестве, но Джоуля больше интересовало достижение важных результатов, чем получение признания.

Однако следует помнить, что Джоуль и сам уже ранее внёс огромный теоретический вклад. Как говорит Х.Д. Стеффенс, описывая биографию Джоуля: «Несомненно, он был больше, чем "просто замечательный экспериментатор". Его эксперименты отображали и придали форму его предположениям, а его предположения смело противостояли распространенным научным теориям и подразумевали новый, точный порядок во вселенной»

Джоуль показал удивительную ясность в донесении, исполнении, описании и объяснении своих экспериментов. В отличие от многих учёных, Джоулю было не свойственно следовать ведущим в тупик путями или делать неверные наблюдения. В большинстве случаев, его черновики были достаточно понятными и разборчивыми для того, чтобы опубликовать их без предварительной проверки. Это свидетельствовало о чрезвычайной ясности его ума.

Вера в Библию

Джоуль был искренним христианином, который был известен своей терпеливостью и смирением. Джоуль искал Божьей воли и повиновался ей.

Джоуль не видел никаких противоречий между его научной работой и его верой в истинность Писания. Многие его коллеги-учёные разделяли его точку зрения. "В ответ на волну Дарвинизма, которая в то время нахлынула на всю страну... 717 учёных подписали знаменательный манифест под названием Декларация Учёных в области Естествознания и Физики, который вышел в Лондоне в 1864 году. Эта декларация утверждала их веру в научную достоверность Священного Писания. В этом списке числилось 86 Членов Научного Королевского Общества". Джеймс Джоуль был одним из выдающихся учёных, который подписал этот документ.

С 1872 года состояние здоровья Джоуля ухудшилось, но он всё же продолжал немного работать. Он умер 11 октября 1889 года в английском городке Сейле, недалеко от Чешира.

Джоуль твёрдо принимал Бога как Творца. Его слова свидетельствуют нам о тех приоритетах, по которым он жил: «После познания и повиновения Божьей воле, следующей целью должно быть познание Его мудрости, силы и доброты, как свидетельствует об этом Его творение» .

Ссылки и примечания

* "Теория Большого Взрыва" не пытается объяснить, как возникла гипотетическая концентрация материи.

(англ. James Prescott Joule, МФА: , 24 декабря 1818 – 11 октября 1889) – английский физик и пивовар.
Джоуль изучал природу тепла и определил количество теплоты, выделяющейся при механической работе. Это привело его к открытию закона сохранения энергии и, наконец, к формулировке первого закона термодинамики. Вместе с лордом Кельвином он занимался разработкой абсолютной шкалы температуры. Ему также принадлежит определение количества теплоты, выделяемого при прохождении тока через проводник (закон Джоуля-Ленца). Исследовал магнитострикции.
В его честь названа единица измерения энергии – Джоуль, применяемый в международной системе СИ.
Родился в Солфорди близ Манчестера 24 декабря 1818. К 15-ти лет Джоуль воспитывался в семье отца, богатого пивовара, и получил домашнее образование. В течение нескольких лет его учил математике, физике, началам химии известный физик и химик Джон Дальтон, под влиянием которого Джоуль уже в 19 лет начал экспериментальные исследования. Именно Дальтон привил Джоуля любовь к науке и страсть к сбору и осмыслению численных данных, на которых основаны научные теории и законы. К сожалению, математическая подготовка Джоуля была слабой, что в дальнейшем очень мешало ему в исследованиях и, возможно, не дало ему сделать еще более значительные открытия.
В 1838 в журнале «Анналы электричества» («Annals of Electricity») появилась его статья с описанием электромагнитного двигателя, в 1840 он обнаружил эффект магнитного насыщения, в 1842 – явление магнитострикции.
В Джоуля не было никакой профессии и никакой работы, кроме помощи в управлении заводом отца. Вплоть до 1854, когда завод наконец был продан, смотрите также бетонный завод , Джоуль работал на нем и урывками, по ночам, занимался своими опытами. После 1854 года в Джоуля появились и время, и средства, чтобы построить в собственном доме физическую лабораторию и полностью посвятить себя экспериментальной физике. Позднее Джоуль имел материальные трудности и для продолжения исследований обратился за финансовой помощью к королеве Виктории.
Исследовательский прибор Джоуля для изучения тепла, 1845 течение 1837-1847 гг Джоуль весь свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии – механической, электрической, химической, – в тепловую энергию. Он разработал термометры, измеряли температуру с точностью до одной двухсот градусов, что позволило ему проводить измерения с наилучшей для того времени точностью. Под влиянием работ Фарадея Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов тока, результатом чего стало открытие закона, называется теперь законом Джоуля. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющейся в проводнике с током, пропорциональна сопротивлению проводника и квадрату силы тока.
В 1843 Джоуль занялся новой проблемой: доказательством существования количественного соотношения между «силами» разной природы, приводящие к выделению тепла. Первые его опыты заключались в измерении количества тепла, выделяющегося в сосуде с водой, в которой под действием груза опускается, вращающийся электромагнит, а сама сосуд был помещен в магнитное поле. В этих опытах он впервые определил механический эквивалент теплоты (4,5 Дж / кал в современных единицах), а в последующие годы исследовал тепловые эффекты при продавливании жидкости через узкие отверстия (1844), сжатии газа (1845) и т.д. Все эти опыты привели Джоуля к открытию закона сохранения энергии. Впоследствии его именем была названа единица измерения всех видов энергии – механической, тепловой, электрической, излучение и другие.
В июне 1847 года Джоуль представил доклад на собрании Британской ассоциации ученых, в которой он сообщил о точные измерения механического эквивалента теплоты. Доклад стал поворотным пунктом в его карьере. В 1850 Джоуль был избран членом Лондонского королевского общества. Он стал одним из авторитетнейших ученых своего времени, обладателем многих титулов и наград. Королева возвела его в рыцарское достоинство.
В 1847 Джоуль познакомился с В. Томсоном и исследовал вместе с ним поведение газов в различных условиях. Результатом этого сотрудничества стало открытие эффекта охлаждения газа при медленном адиабатическом протекании его через пористую перегородку (эффект Джоуля – Томсона). Этот эффект используется для сжижения газов. Кроме того, Джоуль построил термодинамическую температурную шкалу, рассчитал теплоемкость некоторых газов, вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.
В 1854 году Джоуль продает завод, который остался ему от отца, и целиком посвящает себя науке. Неустанно работая все в той же области, Джоуль до смерти обнародовал 97 ученых работ, из которых около 20 сделаны в сообществе с В. Томсоном и Л. Плефером; большинство из них касается применения механической теории тепла к теории газов, молекулярной физике и акустике и принадлежат до классических работ по физике.
Статуя Джоуля в здании городского совета Манчестера Джоуль был членом Лондонского королевского общества, почетные звания Honoris causa Тринити колледж в Дублине (1857), Оксфордского университет (1861), доктором hc Эдинбургского (1871) и Лейденского (1875) университетов; в 1878 году ему назначена была правительством пожизненная пенсия в 200 фунтов.
Произведения Джоуля собраны в "Scientific papers by JP Joule" (2 т., Лондон, 1884-87) и переведены в 1872 году шпренгелем на немецкий язык.
Среди наград и почестей, которых был удостоен ученый, – золотая медаль Королевского общества (1852), медаль Копли (1866), медаль Альберта (1880). В 1872 и 1877 Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний.
Умер Джоуль в Сейл 11 октября 1889.