[Дж]
XIX столетие подарило человечеству целую плеяду талантливых учёных, открывавших обширный мир физических явлений. Одним из них стал Джеймс Джоуль - выдающийся английский физик, который заложил основы термодинамики и опытным путём обосновал закон сохранения энергии. В этом году физики по всему миру будут отмечать 200-летие со дня рождения Джоуля.
Сын пивовара
Джеймс Джоуль родился в Рождественский Сочельник 24 декабря 1818 г. вблизи Манчестера в Англии, в семье зажиточного владельца пивоваренного завода. Как и многие дети обеспеченных родителей в те времена, он получил хорошее домашнее образование, но из-за болезни отца ему не удалось окончить университет - нужно было взять на себя дела на семейной пивоварне.
Большую роль в становлении Джоуля как учёного сыграл его наставник - профессор Манчестерского колледжа Оксфордского университета Джон Дальтон, известный благодаря своим новаторским научным исследованиям и обширным знаниям в самых различных областях. Именно Дальтон за время работы с юношей в 1834-1837 гг. сумел привить молодому Джеймсу Джоулю глубокий интерес к науке, сбору и анализу экспериментальных данных. Сам Джоуль с благодарностью вспоминал: «Именно при обучении у него у меня появилось желание расширить арсенал моих знаний с помощью оригинальных исследований». Такие исследования стали характерной чертой для всех будущих работ Джоуля: он всегда предпочитал точный эксперимент построению теорий.
В 1837 г., в 19 лет, Джоуль увлёкся изучением электричества и начал проводить свои первые самостоятельные опыты на отцовской пивоварне. Его привлекала идея замены паровых двигателей электромагнитными собственной оригинальной конструкции, которую Джоуль описал в 1838 г. в журнале Уильяма Стрёджена «Анналы электричества» (Annals of Electricity). И уже в 1840 г. он действительно заменил двигатели на пивоварне, хотя впоследствии признал, что экономический эффект от этого эксперимента оказался скорее отрицательным из-за несовершенства оборудования.
Дальнейшие опыты Джоуля были по большей части связаны с изучением электромагнитных и сопровождающих их тепловых явлений. Для своих экспериментов Джеймс создал специальные термометры, которые обеспечивали точность до 1/200 градуса. Это позволило ему углубиться в изучение тепловых эффектов тока.
В 1840 г. он послал свою работу «Об образовании теплоты с помощью вольтовского (гальванического) электричества» в Лондонское королевское общество. В ней Джеймс Джоуль доказывал, что количество производимой теплоты в проводе с электрическим током прямо пропорционально величинам квадрата тока и сопротивления, а также времени течения этого тока по проводнику. Независимо от Джоуля через год русский физик Эмилий Христианович Ленц открыл этот же закон, поэтому он сегодня известен как закон Джоуля-Ленца. Однако в 1840 г. эта работа не вызвала большого энтузиазма в Лондонском королевском обществе, которое опубликовало лишь краткое изложение полученных физиком экспериментальных данных.
Энергия = работа
Прохладный приём его работы не охладил пыл молодого исследователя. Джоуль мечтал совершить большое открытие и внести свой личный вклад в развитие науки. Несмотря на то, что большую часть времени Джоуль был занят на пивоварне, по ночам он продолжал проводить опыты, постепенно усложняя и развивая их.
Так, Джоуль провёл ряд опытов, в которых он исследовал возможность связать энергию, необходимую для нагрева определённого количества жидкости, с механической работой. В одном из них он измерял увеличение температуры ртути в калориметре при вращении в ней лопастей, которые приводились в движение опускающимися грузами. В начале и конце опыта грузы, лопасти и ртуть в калориметре находились в покое, так что их кинетическая энергия за время опыта не менялась. Зная работу, совершаемую грузами при движении, и измеряя прирост температуры ртути, Джоуль пришёл к следующему результату: отношение работы к количеству теплоты, на которое увеличивалась внутренняя энергия ртути в результате совершения этой работы, представляет постоянную величину.
превращение механической энергии в тепловую
Позже Джоуль заменял ртуть водой и получил тот же результат. Наконец, вместо сопротивления лопаточек о воду и ртуть физик исследовал в калориметре трение двух металлических деталей. Измерения дали ту же величину, которая была названа «механическим эквивалентом теплоты».
На этот раз Джоуль передал результаты своих изысканий на рассмотрение Британской ассоциации развития науки. И снова его труд не вызвал никакой реакции, а ведущие научные журналы отказались опубликовать результаты его новых исследований.
Помощь друга
Долгое время работы Джоуля не получали поддержки в научных кругах Англии, его даже в шутку называли «самым известным физиком среди пивоваров», намекая на недостаточную научную подготовку. К тому же полученные им экспериментальные данные бросали радикальный вызов калорической теории (теплота - это некая жидкость особого рода, содержащаяся во всех телах), которой в те годы придерживались многие авторитетные физики.
И кто скажет, возможно, мы бы так и не узнали о том, какие важные открытия совершил Джеймс Джоуль, если бы судьба не свела его с другим выдающимся английским физиком - Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), бывшим в то время профессором натуральной философии в Университете Глазго.
Учёные познакомились в 1847 г., когда Джоуль представлял Британской научной ассоциации свой четвёртый доклад об измерениях механического эквивалента теплоты и законе сохранения и превращения энергии. В своей лекции Джоуль говорил: «Вы видите, следовательно, что живая сила может быть превращена в теплоту и теплота может превращаться в живую силу или в притяжение. Все три величины - именно теплота, живая сила и притяжение предметов (к которым я также могу причислить свет), - не связанные между собой механически, взаимно превращаемы друг в друга. Причём при таких превращениях энергия не теряется».
Выступление было встречено учёными мужами со скукой и недоверием. Однако, к счастью, в зале находился Уильям Томсон, который был восхищён тем, что говорил Джоуль, и начал задавать много вопросов, спровоцировав жаркие дебаты. Правда, Томсон полагал, что Джоуль может быть и неправ. В письме к брату после собрания Томсон писал: «Я посылаю работы Джоуля, которые тебя поразят. У меня было недостаточно времени, чтобы подробно в них разобраться. Мне кажется, что там пока ещё много изъянов». Томсон, как и обещал, тщательно проанализировал работу и, признав её правильность, стал верным союзником Джоуля на долгие годы.
Вскоре физики начали совместные изыскания. Они изучали свойства газов, открыв, что при адиабатическом дросселировании газ охлаждается. Это явление, получившее название эффекта Джоуля-Томсона, впоследствии было положено в основу метода получения сверхнизких температур и тем самым способствовало появлению физики низких температур как нового направления естествознания. Учёные также совместно разработали термодинамическую шкалу, названную в честь титула Томсона шкалой Кельвина.
Признание
При поддержке Томсона научное сообщество, наконец, приняло и признало Джоуля. В 1850 г. его приняли в ряды Лондонского королевского общества. А через четыре года Джоуль продал оставшийся ему в наследство от отца пивоваренный завод и, наконец, исполнил свою давнюю мечту - всецело посвятил себя науке.
В 1850 гг. Джоуль опубликовал большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции высокоточных вольтметров, гальванометров и амперметров. В целом в течение всей своей научной практики он уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты. А методики его экспериментов, подробно описанные в дневниках, используются и по сей день.
За свою жизнь Джоуль опубликовал 97 научных статей, большинство из которых касается приложения механической теории теплоты к кинетической теории газов, молекулярно-кинетической теории и акустике. Все они принадлежат к классическим работам по физике. В 1866 г. Джоулю вручили высшую награду Лондонского королевского общества - медаль Копли, а в 1880 г. - премию Королевского общества искусств - медаль Альберта.
В 1870 гг. учёный стал доктором права в Эдинбургском и Лейденском университетах, получил рыцарское звание от королевы Англии. В 1872 г. его избрали президентом Британской научной ассоциации, а позже, в 1877 г., переизбрали на второй срок.
Джеймс Джоуль умер в 1889 г. И в этот же год II Международный конгресс электриков, признавая огромный вклад учёного в развитие физики, принял решение назвать единицу измерения работы, энергии и количества теплоты джоулем.
Об авторе: Анна Марченко - руководитель группы наблюдений за ГТС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго».
Читайте другие наши материалы
