Джеймс Прескотт Жоуль: Ағылшын физигі және сыра қайнатушысы

Кіріспе

Ағылшын физигі және сыра қайнатқышы (1819–1889)

Джеймс Прескотт Джоул (/////////dʒ//uː//l/; 24 желтоқсан 1818 – 11 қазан 1889) – ағылшын физигі, математигі және сыра қайнатқышы, Ланкаширдің Салфорд қаласында туған. Джоул жылудың табиғатын зерттеді және оның механикалық жұмыспен байланысын анықтады. Бұл энергияның сақталу заңының ашылуына, ал ол өз кезегінде термодинамиканың бірінші заңының дамуына әкелді. Энергияның Халықаралық жүйедегі (СИ) туынды бірлігі – джоуль оның құрметіне аталған. Ол Лорд Кельвинмен бірлесіп абсолютті термодинамикалық температура шкаласын жасады, ол Кельвин шкаласы деп аталады. Джоул сондай-ақ магнитострикцияны байқады және резистор арқылы өтетін ток пен бөлінетін жылу арасындағы байланысты тапты, бұл Джоульдің бірінші заңы деп белгілі. Оның энергия түрленуіне қатысты тәжірибелері алғаш рет 1843 жылы жарияланды.

Алғашқы жылдар

Джеймс Джоул 1818 жылы бай сыра қайнатушы Бенджамин Джоулдың (1784–1858) және оның әйелі Элис Прескотттың ұлы ретінде, Солфордтағы Нью-Бейли көшесінде дүниеге келді. Жас кезінде Джоулді белгілі ғалым Джон Далтон оқытты, сондай-ақ химияшы Уильям Генри және Манчестер инженерлері Питер Эварт пен Итон Ходжкинсон оған үлкен әсер етті. Ол электр қуатына қызығушылық танытты, сондықтан ағасымен бірге өздеріне және үйдің қызметшілеріне электр тоғының соққысын беру арқылы тәжірибелер жасады. Ересек болғаннан кейін Джоул сыра зауытын басқарды. Ғылым оның тек қана маңызды хоббиі болды. Шамамен 1840 жылы ол сыра зауытындағы бу машиналарын жаңадан ойлап табылған электр моторларымен алмастыру мүмкіндігін зерттеуді бастады. Осы тақырыптағы алғашқы ғылыми жұмыстарын Уильям Стердженнің "Электр туралы жылнамалар" журналына жариялады. Джоул Стерджен және басқалар құрған Лондон электр қоғамының мүшесі болды. Бір жағынан, бизнесмен ретінде таңдаудың экономикалық тиімділігін анықтау қажеттілігі, екінші жағынан ғылыми құштарлығы оны ең тиімді қозғалтқышты анықтауға жетеледі. 1841 жылы ол Джоулдің бірінші заңын ашты: "Кез келген вольталық токтың дұрыс әрекетінен пайда болатын жылу, сол ток күшінің квадратына пропорционалды, оған өткізгіштің қарсылығы көбейтіледі". Ол бір фунт көмірді бу машинасымен жағу, электр батареясында қолданылатын бір фунт қымбат мырыштан гөрі тиімдірек екенін түсінді. Джоул баламалы әдістердің нәтижелерін бірдей стандартқа, яғни бір фунт салмақты массаны бір фут биіктікке көтеру мүмкіндігіне келтірді – фут-фунт. Алайда, Джоулдің қызығушылығы тар қаржылық мәселеден, белгілі бір көзден қанша жұмыс алуға болатындығына ауысты, бұл оны энергияның түрленуі туралы ойларға жетеледі. 1843 жылы ол 1841 жылы анықтаған жылу эффектісінің себебі, құрылғының басқа бөлімінен емес, өткізгіште жылудың пайда болуы екенін көрсететін тәжірибелердің нәтижелерін жариялады. Бұл жылуды жаратуға немесе жоюға болмайды деген калориялық теорияға тікелей қарсы келді. Калориялық теория 1783 жылы Антуан Лавуазье ұсынғаннан бері жылу туралы ғылымда үстемдік құрды. Лавуазьенің беделі және Сади Карноның 1824 жылдан бері жылу машинасының калориялық теориясының тәжірибелік сәттілігі, жас Джоулдың академиялық ортадан немесе инженерлік мамандықтан тыс жерде жұмыс істеуін қиын етті. Калориялық теорияның жақтаушылары, кем дегенде, шамамен кері процесте жылу мен ток алмасатынын көрсету үшін Пельтье-Зебек эффектісінің симметриясын пайдаланды.

James Joule was born in 1818, the son of Benjamin Joule (1784–1858), a wealthy brewer, and his wife, Alice Prescott, on New Bailey Street in Salford. Joule was tutored as a young man by the famous scientist John Dalton and was strongly influenced by chemist William Henry and Manchester engineers Peter Ewart and Eaton Hodgkinson. He was fascinated by electricity, and he and his brother experimented by giving electric shocks to each other and to the family's servants. As an adult, Joule managed the brewery. Science was merely a serious hobby. Sometime around 1840, he started to investigate the feasibility of replacing the brewery's steam engines with the newly invented electric motor. His first scientific papers on the subject were contributed to William Sturgeon's Annals of Electricity. Joule was a member of the London Electrical Society, established by Sturgeon and others. Motivated in part by a businessman's desire to quantify the economics of the choice, and in part by his scientific inquisitiveness, he set out to determine which prime mover was more efficient. He discovered Joule's first law in 1841, that "the heat which is evolved by the proper action of any voltaic current is proportional to the square of the intensity of that current, multiplied by the resistance to conduction which it experiences". He went on to realize that burning a pound of coal in a steam engine was more economical than a costly pound of zinc consumed in an electric battery. Joule captured the output of the alternative methods in terms of a common standard, the ability to raise a mass weighing one pound to a height of one foot, the foot pound. However, Joule's interest diverted from the narrow financial question to that of how much work could be extracted from a given source, leading him to speculate about the convertibility of energy. In 1843 he published results of experiments showing that the heating effect he had quantified in 1841 was due to generation of heat in the conductor and not its transfer from another part of the equipment. This was a direct challenge to the caloric theory which held that heat could neither be created nor destroyed. Caloric theory had dominated thinking in the science of heat since introduced by Antoine Lavoisier in 1783. Lavoisier's prestige and the practical success of Sadi Carnot's caloric theory of the heat engine since 1824 ensured that the young Joule, working outside either academia or the engineering profession, had a difficult road ahead. Supporters of the caloric theory readily pointed to the symmetry of the Peltier–Seebeck effect to claim that heat and current were convertible in an, at least approximately, reversible process.

Жылудың механикалық эквиваленті

Қосымша тәжірибелер мен оның электр қозғалтқышымен жасаған өлшеулер Джульге бір грамм судың температурасын бір Кельвинге көтеру үшін жұмыс істейтін калорияға 4,1868 джоуль жылудың механикалық баламасын анықтауға мүмкіндік берді. Ол 1843 жылдың тамызында Коркте өткен Британдық ғылымды дамыту қауымдастығының химиялық бөлімінің мәжілісінде өз нәтижелерін жариялады, бірақ ол үнсіздікпен қарсы алынды. Джуль мойынсұнбады және жұмыстың жылуға айналуының таза механикалық демонстрациясын іздеуге кірісті. Ол перфорацияланған цилиндр арқылы суды өткізіп, сұйықтықтың шамалы мөлшерде қызуын өлшеді. Ол механикалық эквивалентті алды. Электрлік және таза механикалық тәсілдермен алынған мәндердің кем дегенде екі маңызды цифрына дейін сәйкес келуі Джуль үшін жұмыстың жылуға айналуының нақтылығына дәлел болды. Механикалық күш жұмсалған кезде әрқашан жылуға тең келетін нақты эквивалент алынады. 1843 жылдың тамызында Джуль үшінші жолға көшті. Ол газды қысу кезінде атқарылған жұмыстың нәтижесінде пайда болған жылуды өлшеді. Ол механикалық эквивалентті алды. Көп жағдайда бұл тәжірибе Джульдің сыншыларына ең оңай нысана ұсынды, бірақ Джуль ақылды тәжірибелер арқылы күтілген қарсылықтарды жоюға тырысты. Джуль 1844 жылдың 20 маусымында Корольдік қоғамға өз мақаласын оқыды, бірақ Корольдік қоғам оның мақаласын жариялаудан бас тартты, сондықтан ол 1845 жылы «Философиялық журналда» жариялауға келісім берді. Мақалада ол Карно мен Эмиль Клапейронның калориялық тұжырымдамасын теологтық тұрғыдан да жоққа шығарды: Менің ойымша, бұл теория философияның қабылданған принциптеріне қайшы келеді, өйткені ол аппараттың дұрыс орналастырылмауы арқасында вис виваның жойылуына әкеледі: Осылайша, Клапейрон мырза «өрттің температурасы қазандықтың температурасынан 1000 °C - 2000 °C жоғары болғандықтан, пештен қазандыққа жылудың өту кезінде вис виваның үлкен жоғалуы бар» деген қорытындыға келді. Күшті жою құқығы тек Жаратушыға ғана тиесілі деп сеніп, мен күшті жоюды талап ететін кез келген теория қате екенін мәлімдеймін. Бұл жерде Джуль вис вива (энергия) терминологиясын қолданады, мүмкін Ходжкинсон 1844 жылдың сәуірінде Әдеби және философиялық қоғамға Эварттың «Қозғалыс күшін өлшеу туралы» мақаласының шолуын оқығандықтан. 1845 жылдың маусымында Джуль «Жылудың механикалық эквиваленті туралы» мақаласын Кембридждегі Британдық қауымдастығының мәжілісінде оқыды. Бұл жұмысында ол өзінің ең танымал тәжірибесін, құлау салмағын пайдалануды, гравитациялық күш механикалық жұмыс атқарады, оқшауланған су барреліндегі құм дөңгелегін айналдырады, бұл температураны арттырады деп баяндады. Ол өз тәжірибесін сипаттайтын хатты 1845 жылдың қыркүйегінде «Философиялық журналға» жариялады. 1850 жылы Джуль жариялаған нақтыланған өлшемдері, 20 ғасылдың бағалауларына жақын болды.

Further experiments and measurements with his electric motor led Joule to estimate the mechanical equivalent of heat as 4.1868 joules per calorie of work to raise the temperature of one gram of water by one Kelvin. He announced his results at a meeting of the chemical section of the British Association for the Advancement of Science in Cork in August 1843 and was met by silence. Joule was undaunted and started to seek a purely mechanical demonstration of the conversion of work into heat. By forcing water through a perforated cylinder, he could measure the slight viscous heating of the fluid. He obtained a mechanical equivalent of The fact that the values obtained both by electrical and purely mechanical means were in agreement to at least two significant digits was, to Joule, compelling evidence of the reality of the convertibility of work into heat. Wherever mechanical force is expended, an exact equivalent of heat is always obtained.|J. P. Joule, August, 1843

Joule now tried a third route. He measured the heat generated against the work done in compressing a gas. He obtained a mechanical equivalent of In many ways, this experiment offered the easiest target for Joule's critics but Joule disposed of the anticipated objections by clever experimentation. Joule read his paper to the Royal Society on 20 June 1844, but his paper was rejected for publication by the Royal Society and he had to be content with publishing in the Philosophical Magazine in 1845. In the paper he was forthright in his rejection of the caloric reasoning of Carnot and Émile Clapeyron, a rejection partly theologically driven:

I conceive that this theory is opposed to the recognised principles of philosophy because it leads to the conclusion that vis viva may be destroyed by an improper disposition of the apparatus: Thus Mr Clapeyron draws the inference that 'the temperature of the fire being 1000 °C to 2000 °C higher than that of the boiler there is an enormous loss of vis viva in the passage of the heat from the furnace to the boiler.' Believing that the power to destroy belongs to the Creator alone I affirm that any theory which, when carried out, demands the annihilation of force, is necessarily erroneous. Joule here adopts the language of vis viva (energy), possibly because Hodgkinson had read a review of Ewart's On the measure of moving force to the Literary and Philosophical Society in April 1844. In June 1845, Joule read his paper On the Mechanical Equivalent of Heat to the British Association meeting in Cambridge. In this work, he reported his best known experiment, involving the use of a falling weight, in which gravity does the mechanical work, to spin a paddle wheel in an insulated barrel of water which increased the temperature. He now estimated a mechanical equivalent of He wrote a letter to the Philosophical Magazine, published in September 1845 describing his experiment. In 1850, Joule published a refined measurement of , closer to twentieth century estimates.

Кинетикалық теория

Кинетика – қозғалыс ғылымы. Джоуль Дальтонның шәкірті болды және оның атом теориясына берік сенімді болғаны таңқаларлық емес, тіпті оның заманында көптеген ғалымдар әлі де күмәнмен қараған. Ол сондай-ақ газдардың кинетикалық теориясы бойынша Джон Херапаттың назарсыздан қалған еңбегін қабылдаған азақтардың бірі болды. Оған Питер Эварттың 1813 жылғы «Қозғалыс күшінің өлшемі туралы» мақаласы зор әсер етті. Джоуль өзінің жаңалықтары мен жылудың кинетикалық теориясы арасындағы байланысты түсінді. Оның зертханалық жазбалары жылуды аудармалы емес, айналма қозғалысының бір түрі деп санайтынын көрсетеді. Джоуль өзінің көзқарастарының алдын-ала Франсис Бэкон, сэр Исаак Ньютон, Джон Локк, Бенджамин Томпсон (Рамфорд графы) және сэр Хамфри Дэвиде айтылғанын табуға тырысты. Мұндай көзқарастар негізді болғанымен, Джоуль Рамфордтың жарияланымдарынан жылудың механикалық эквивалентін 1034 фут-фунт деп есептеді. Кейбір қазіргі заманғы жазушылар бұл тәсілді Рэмфордтың тәжірибелері жүйелі сандық өлшемдерді көрсетпегендігіне байланысты сынға алды. Жеке жазбаларының бірінде Джоуль Майердің өлшемі Рамфордтыкінен дәлірек емес деп мәлімдейді, мүмкін Майер өзінің жұмысын одан бұрын болжай алмаған шығар. 1869 жылы Манчестер әдеби және философиялық қоғамына жолдаған хатында Джоуль күн бату кезіндегі жасыл жарқыл құбылысын түсіндірген деп есептелді; бірақ шындығында ол құбылыстың себебін түсіндіруге тырыспай, соңғы көріністі көгілдір-жасыл деп атап өтті (эскизбен бірге).

Жарияланған еңбектері

1845 жылдың маусым айында Кембриджде Британ қауымдастығының отырысында оқылды.