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.
Главным предметом внимания Джеймса была физика, которой он посвятил всю свою жизнь.
Джеймс Прескотт Джоуль родился в 1818-ом году, в Ланкашире, в семье состоятельного пивовара. Повзрослев, работал в заводских мастерских, одновременно (под руководством знаменитого ученого Джона Дальтона) изучал такие фундаментальные науки, как математика, физика, химия.
Джеймс рано начал заниматься исследовательской работой. Его первые чрезвычайно талантливые труды, посвященные законам электромагнетизма, датируются 1838-1840-ым годами.
Джоуль проводил нескончаемые тесты по физике, отыскивая совершенные методы измерения электрических токов. В конечном итоге его труды увенчались успехом. В 1841-ом году Джеймс открыл закон, который впоследствии был назван именем ученого и описывал зависимость между силой тока и теплом в проводнике. Кроме того, что закон произвел должное впечатление на ученых, он остался в веках и в настоящее время известен под названием Закона Джоуля - Ленца.
Через несколько лет после открытия закона Джоуль отправился в Манчестер и там продолжил активную исследовательскую деятельность. В 1847-ом году Джеймс Джоуль блестяще выступил с докладом на одном из заседаний Британской Ассоциации в Университете Оксфорда. Тогда к результатам собственной работы ученый привлек внимание огромного числа ученых мира.
В середине пятидесятых годов девятнадцатого столетия Джеймс с головой ушел в науку. Немногим раньше он продал родительский завод, доставшийся в наследство, и в течение долгого времени жил на полученные средства, занимаясь исследованиями.
Вплоть до самого конца жизни Джеймс Джоуль неутомимо работал. Он успел представить обществу почти сотню ученых работ, большинство которых было посвящено молекулярной физике и приложению механической теории тепла к теории газов.
Талант ученого был неоспоримым. В свое время Джоуль стал обладателем множества наград, в том числе был награжден несколькими медалями Королевского общества, а также правительственной пожизненной пенсией. Он состоял в Лондонском королевском обществе и был доктором нескольких университетов.
Джеймс Джоуль ушел из жизни в 1869-ом году, оставив о себе вечную память. Имя ученого известно всем - от школьников, выполняющих тесты по физике, до больших ученых, день и ночь работающих во имя науки.
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 её 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.
Биография
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.
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.
Джеймс Прескотт ДЖОУЛЬ (Joule)
(24.12. 1818 - 11.10. 1889)
Джеймс Прескотт Джоуль - известный английский физик, член Лондонского королевского общества (1850). До 15 лет Джоуль воспитывался в семье отца, богатого пивовара; затем работал на заводе, изучая в то же время математику, химию и физику под руководством Джона Дальтона.
Первые работы Джоуля, относящиеся к 1838 - 40 гг., касаются исследования законов электромагнетизма . Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений , в создание физики низких температур , в обоснование закона сохранения энергии . Джоуль установил (1841 г.; опубликовано в 1843 г.), что количество тепла, выделяющееся в металлическом проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально электрическому сопротивлению проводника и квадрату силы тока.
Изучая тепловые действия токов, Джоуль в 1843 г. пришел к убеждению в существовании предусмотренной Майером зависимости между работой и количеством произведенного ею тепла и нашел численное отношение между этими величинами - механический эквивалент тепла . Переселившись в 1843 г. в Манчестер, Джоуль неутомимо исследует тот же вопрос и в 1847 г. докладывает о нем в заседании британской ассоциации в Оксфорде.
В 1854 г. Джоуль продает оставшийся ему от отца пивоваренный завод и всецело посвящает себя науке. Неутомимо работая все в той же области, Джоуль в течение своей жизни опубликовал 97 научных статей, большинство из которых касается приложения механической теории тепла к теории газов, молекул, физике и акустике и принадлежат к классическим работам по физике.
Джоуль был членом лондонского королевского общества и почетным доктором эдинбургского (с 1871 г.) и лейденского (с 1875 г.) университетов, был дважды награжден медалями королевского общества; в 1878 г. ему назначена была правительством пожизненная пенсия в 200 фунтов стерлингов.
