Джоуль Джеймс — Биография

Джеймс Пре́скотт Джо́уль (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.

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 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 явления, 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