Джоуль: на напівсонних слухачів моя доповідь не справила жодного враження

Джеймс Прескотт Джоуль – англійський фізик, народився 24 грудня 1818 року Солфорді поблизу Манчестера у сім'ї багатого власника пивоварного заводу. До 15-ти років Джоуль виховувався у сім'ї батька, багатого пивовара, і здобув домашню освіту. Протягом трьох років його наставником був видатний хімік Джон Дальтон (1766-1844). Під впливом якого Джоуль вже у 19 років почав експериментальні дослідження. Саме Дальтон прищепив йому любов до науки і пристрасть до збору й осмисленню чисельних даних, на яких засновані наукові теорії і закони. На жаль, математична підготовка Джоуля була слабкою, що надалі дуже заважало йому у дослідженнях і, можливо, не дало йому зробити ще більш значні відкриття. У Джоуля не було ніякої професії і ніякої роботи, крім допомоги в управлінні заводом батька.Протягом 1837-1847 рр. Джоуль весь вільний час присвячував різноманітним експериментам з перетворення різних форм енергії: механічної, електричної, хімічної, у теплову енергію. У 1838 році в журналі „Аналіз електрики” з'явилася його стаття з описом електромагнітного двигуна, у 1840 році він виявив ефект магнітного насичення. Він розробляв термометри, що вимірювали температуру з точністю до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому проводити вимірювання з найвищою для того часу точністю. Під впливом робіт Майкла Фарадея (1791-1867) він звернувся 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, пропорційна опору провідника і квадрату сили струму. Досліджуючи загальну кількість теплоти, що виділяється у всьому колі провідника, включаючи і гальванічний елемент, за певний час, він визначив (помилково), що ця кількість теплоти дорівнює теплоті хімічних реакцій, що протікають в елементі за той же час. У нього, Джоуля, складалася думка, що джерелом теплоти, виділеної в колі провідника електричного струму, є хімічні процеси, що проходять в гальванічному елементі, а електричний струм як би розносить цю теплоту по всьому колу провідника. Він писав, що "електрика може розглядатися як важливий агент, який переносить, впорядковує і змінює хімічне тепло". Але джерелом електричного струму може служити також і "Електромагнітна машина". Продовжуючи дослідження у цьому напрямку, Джоуль прийшов до нових важливих результатів, які виклав у роботі "Тепловий ефект магніто-електрики і механічна цінність теплоти", опублікованій у 1843 році.

Джеймс Прескотт Джоуль - англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. Вніс значний доробок в дослідження електромагнетизму і теплових явищ, у створенні фізики низьких температур, у обґрунтуванні закону збереження і перетворення енергії, відкрив явище магнітного насичення при намагнічені феромагнетиків. Йому належить честь відкриття кількісного закону теплової дії: механічної роботи (нагрівання 1 кг води на 1 градус К (Кельвіна) виявилося рівноцінним підніманню 1 кг вантажу, визначеними сучасними приладами, на висоту 460 м). Джеймс Прескотт Джоуль, і незалежно від нього Емілій Христіанович Ленц (1804-1865), визначили, що кількість теплоти, яка виділяється у провіднику, пропорційна його опору та квадрату сили струму. Він став одним з найавторитетніших учених свого часу, володарем багатьох титулів і нагород: золота медаль Королівського товариства (1852), медаль Коплі (1866), медаль Альберта (1880). Королева звела його в лицарську гідність. У 1872 і 1877 роках Джоуль був обраний президентом Британської асоціації з розповсюдження наукових знань. У 1878 році йому призначена була урядом довічна пенсія у 200 фунтів стерлінгів. На його честь названа одиниця вимірювання енергії - Джоуль, що застосовується у міжнародній системі СІ. Помер Джеймс Прескотт Джоуль у Сейлі 11 жовтня 1889 року.

Того ж року Джоуль зайнявся новою проблемою: доказом існування кількісного співвідношення між „силами” різної природи, що приводять до виділення тепла. Перші його досліди полягали у вимірюванні кількості тепла, що виділяється у ємності з водою, у якій під дією вантажу, що опускається, обертався електромагніт, а сама ємність була поміщена у магнітне поле. У цих дослідах він вперше визначив механічний еквівалент теплоти (4,5 Дж/кал у 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 і перетворення енергії. Згодом його ім'ям була названа одиниця вимірювання всіх видів енергії - механічної, теплової, електричної, опромінення і інші. У 1847 Джоуль познайомився з Вільямом Томсоном (1824-1907) (майбутній лорд Кельвін) і досліджував разом з ним поведінку газів у 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 зрідження газів. Крім того, Джоуль побудував термодинамічну температурну шкалу, розрахував теплоємність деяких газів, обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури. Разом із лордом Кельвіном він працював над розробкою абсолютної шкали температури. У червні 1847 Джоуль представив доповідь на зборах Британської асоціації вчених, у якій він повідомив про найбільш точні виміри механічного еквівалента теплоти. На напівсонних слухачів доповідь не справила жодного враження, поки молодий палкий Вільям Томсон не пояснив своїм старим колегам значення роботи Джоуля. Доповідь стала поворотним пунктом у його кар'єрі.
Насамперед Джоуль досліджував питання про кількість теплоти, що виділяється індукційним струмом. Для цього він помістив дротяну котушку із залізним сердечником в трубку, яка була наповнена водою, і обертав її в магнітному полі, утвореному полюсами магніту. Вимірюючи величину індукційного струму гальванометром, сполученим з кінцями провідників дротяної котушки за допомогою ртутного комутатора, і одночасно визначаючи кількість теплоти, виділеної струмом в трубці, Джоуль прийшов до висновку, що індукційний струм, як і гальванічний, виділяє теплоту, кількість якої пропорційно квадрату сили струму і опору. Потім Джоуль включив дротяну котушку, вміщену у трубку з водою, в коло провідника з гальванічною батареєю. Обертаючи її в протилежних напрямках, він вимірював силу струму в колі провідника і виділену при цьому теплоту за певний проміжок часу, так що котушка грала один раз роль електродвигуна, а інший раз генератора електричного струму. Порівнюючи потім кількість виділеної теплоти з теплотою хімічних реакцій, що протікають в гальванічному елементі, Джоуль прийшов до висновку, що "теплота, зумовлена гальванічною батареєю, схильна до збільшення або зменшення" і що "ми маємо, отже, в магнітній електриці агента, здатного звичайним механічним засобом знищувати або порушувати теплоту". Нарешті, Джоуль змушував обертатись цю трубку в магнітному полі вже під дією падаючих вантажів. Багато разів вимірюючи кількість теплоти, що виділилася у воді, при опусканні вантажів і виконану при цьому роботу, він підрахував механічний еквівалент теплоти, який по його підрахункам у середньому виявився рівним 427 кгм/ккал (нагрівання 1 кг води на 1 градус К (Кельвіна) виявилося рівноцінним підніманню 1 кг вантажу, визначеними сучасними приладами, на висоту 460 м). У тому ж році Джоуль повідомив про досліди, у яких механічна робота безпосередньо перетворювалася в теплоту. Він виміряв теплоту, що виділяється при продавлюванні води через вузькі трубки. При цьому він отримав, що механічний еквівалент теплоти дорівнює 423 кгм/ккал. Надалі Джоуль знову повертався до експериментального визначення механічного еквівалента теплоти. У 1849 році він виконав відомий дослід з вимірювання механічного еквівалента теплоти. За допомогою падаючих вантажів він змушував вісь з лопатками обертатися всередині калориметра, наповненого рідиною. Вимірюючи виконану вантажами роботу і виділену в калориметрі теплоту, Джоуль отримав механічний еквівалент теплоти, що дорівнював у середньому 427 кгм/ккал.
У 1850 році Джоуль був обраний членом Лондонського королівського товариства. Він став одним з авторитетніших учених свого часу, володарем багатьох титулів і нагород. Королева звела його в рицарську гідність. У 1854 році Джоуль продає завод, що залишився йому від батька, і цілком присвячує себе науці. Невтомно працюючи все в тій же галузі. У Джоуля з'явилися і час, і кошти, щоб побудувати у власному будинку фізичну лабораторію і повністю присвятити себе експериментальній фізиці. Кошти були швидко витрачені і Джоуль почав мати матеріальні труднощі. Для продовження досліджень звернувся за фінансовою допомогою до королеви Вікторії.
Робота Джоуля над зв’язком між електричними, механічними і хімічними ефектами привела до відкриття механічного еквівалента теплоти і до відкриття закону збереження і перетворення енергії та підтвердженню другого закону термодинаміки. Більшу частину свого життя Джоуль присвятив вимірюванню механічного еквівалента теплоти. Крім того, Джоуль побудував термодинамічну температурну шкалу, розрахував теплоємність деяких газів, обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури.
Джоуль до смерті обнародував 97 наукових робіт, з яких близько 20 зроблені у співтоваристві з В. 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.

Володимир Циганенко

Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua

в начало