Джеймс Прескотт Джоуль: биография, открытия в области теплоты и механики. Закон сохранения энергии, термодинамика и шкала Кельвина. Единица измерения джоуль.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Английский физик и пивовар (1818–1889)
English physicist and brewer (1819–1889)
Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818 – 11 октября 1889) – английский физик, математик и пивовар, родившийся в Солфорде, Ланкашир. Джоуль изучал природу тепла и обнаружил его связь с механической работой. Это привело к закону сохранения энергии, который, в свою очередь, способствовал разработке первого закона термодинамики. Единица энергии в системе СИ, джоуль, названа в его честь. Он работал с лордом Кельвином над разработкой абсолютной термодинамической шкалы температур, которая получила название шкалы Кельвина. Джоуль также проводил наблюдения за магнитострикцией и установил зависимость между током, протекающим через резистор, и выделяющимся теплом, известную как первый закон Джоуля. Его эксперименты по преобразованию энергии были впервые опубликованы в 1843 году.
James Prescott Joule (/////////dʒ//uː//l/; 24 December 1818 11 October 1889) was an English physicist, mathematician and brewer, born in Salford, Lancashire. Joule studied the nature of heat, and discovered its relationship to mechanical work. This led to the law of conservation of energy, which in turn led to the development of the first law of thermodynamics. The SI derived unit of energy, the joule, is named after him. He worked with Lord Kelvin to develop an absolute thermodynamic temperature scale, which came to be called the Kelvin scale. Joule also made observations of magnetostriction, and he found the relationship between the current through a resistor and the heat dissipated, which is also called Joule's first law. His experiments about energy transformations were first published in 1843.
Ранние годы
Джеймс Джоуль родился в 1818 году, сын Бенджамина Джоуля (1784–1858), состоятельного пивовара, и его жены, Элис Прескотт, на улице Нью-Бейли в Солфорде. В юности Джоуля обучал знаменитый ученый Джон Далтон, а также на него оказали сильное влияние химик Уильям Генри и манчестерские инженеры Питер Эварт и Итон Ходжкинсон. Он увлекался электричеством, и он с братом экспериментировали, устраивая друг другу и слугам семьи электрические удары. Став взрослым, Джоуль управлял пивоварней, а наука оставалась для него серьезным хобби. Около 1840 года он начал изучать возможность замены паровых двигателей пивоварни недавно изобретенным электродвигателем. Его первые научные работы на эту тему были опубликованы в «Анналах электричества» Уильяма Стерджена. Джоуль был членом Лондонского электрического общества, основанного Стердженом и другими. Движимый, с одной стороны, желанием предпринимателя количественно оценить экономическую целесообразность выбора, а с другой – научным любопытством, он поставил перед собой задачу определить, какой из двигателей был более эффективным. В 1841 году он открыл первый закон Джоуля, который гласит: «количество тепла, выделяемое при правильном действии любого гальванического тока, пропорционально квадрату силы этого тока, умноженному на сопротивление проводимости, которое он встречает». Он пришел к выводу, что сжигание фунта угля в паровой машине экономичнее, чем дорогостоящий фунт цинка, расходуемый в электрической батарее. Джоуль выразил результаты альтернативных методов в терминах общего стандарта – способности поднять массу весом в один фунт на высоту в один фут, то есть футофунт. Однако интерес Джоуля сместился от узкого финансового вопроса к вопросу о том, сколько работы можно извлечь из данного источника, что привело его к размышлениям о возможности преобразования энергии. В 1843 году он опубликовал результаты экспериментов, показавших, что нагревательный эффект, который он количественно определил в 1841 году, был вызван выделением тепла в проводнике, а не его передачей из другой части оборудования. Это было прямым вызовом калорийной теории, которая утверждала, что тепло нельзя создать или уничтожить. Калорийная теория доминировала в науке о тепле с тех пор, как она была введена Антуаном Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех калорийной теории теплового двигателя Сади Карно, начиная с 1824 года, гарантировали, что молодому Джоулю, работавшему вне академической среды или инженерной профессии, предстоял нелегкий путь. Сторонники калорийной теории охотно указывали на симметрию эффекта Пельтье-Зеебека, чтобы утверждать, что тепло и ток могут быть преобразованы друг в друга в, по крайней мере, приблизительно, обратимом процессе.
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.
Механический эквивалент тепла
Дальнейшие эксперименты и измерения с его электрическим двигателем привели Джоуля к оценке механического эквивалента тепла в 4,1868 джоулей на калорию работы, необходимой для повышения температуры одного грамма воды на один Кельвин. Он представил свои результаты на заседании химической секции Британской ассоциации содействия развитию науки в Корке в августе 1843 года, но был встречен молчанием. Джоуль не отступил и начал искать чисто механическую демонстрацию преобразования работы в тепло. Пропуская воду через перфорированный цилиндр, он мог измерить незначительный вязкостный нагрев жидкости. Тот факт, что значения, полученные как электрическим, так и чисто механическим способами, совпадали как минимум до двух значащих цифр, был для Джоуля убедительным доказательством реальности возможности преобразования работы в тепло. Везде, где прилагается механическая сила, всегда получается точный эквивалент тепла. Дж. П. Джоуль, август 1843 года.
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
Теперь Джоуль предпринял третий подход. Он измерил тепло, выделяющееся при сжатии газа. Он получил механический эквивалент. Во многом этот эксперимент представлял собой наиболее легкую мишень для критиков Джоуля, но он опроверг ожидаемые возражения благодаря продуманным экспериментам. Джоуль представил свою работу в Королевском обществе 20 июня 1844 года, но его статья была отклонена для публикации, и ему пришлось довольствоваться публикацией в журнале «Philosophical Magazine» в 1845 году. В статье он прямо отверг калорийные рассуждения Карно и Эмиля Клэперона, отчасти по теологическим причинам:
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:
Я считаю, что эта теория противоречит признанным принципам философии, поскольку она приводит к выводу, что *vis viva* может быть уничтожена неправильной конструкцией аппарата: таким образом, г-н Клэперон делает вывод, что «при температуре огня на 1000–2000 °C выше, чем у котла, происходит огромная потеря *vis viva* при передаче тепла из печи в котел». Веря, что сила уничтожения принадлежит только Творцу, я утверждаю, что любая теория, требующая при реализации аннигиляции силы, обязательно ошибочна. Здесь Джоуль использует термин *vis viva* (энергия), возможно, потому что Ходжкинсон прочитал рецензию на работу Эварта «О мерах движущей силы» в Литературно-философском обществе в апреле 1844 года. В июне 1845 года Джоуль представил свою работу «О механическом эквиваленте тепла» на заседании Британской ассоциации в Кембридже. В этой работе он сообщил о своем наиболее известном эксперименте, включающем использование падающего веса, в котором сила тяжести совершает механическую работу, вращая гребное колесо в изолированном бочке с водой, что приводило к повышению температуры. Он написал письмо в журнал «Philosophical Magazine», опубликованное в сентябре 1845 года, в котором описывал свой эксперимент. В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное измерение, более близкое к оценкам двадцатого века.
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.
Кинетическая теория
Кинетика – это наука о движении. Джоуль был учеником Дальтона, и неудивительно, что он придерживался твердой веры в атомную теорию, хотя многие ученые его времени оставались скептиками. Он также был одним из немногих, кто воспринял пренебрегаемую работу Джона Херапата о кинетической теории газов. На него оказало глубокое влияние статья Питера Эварта 1813 года «О мерах движущей силы». Джоуль усмотрел связь между своими открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные записи показывают, что он считал тепло формой вращательного, а не поступательного движения. Джоуль стремился найти предшественников своим взглядам в трудах Фрэнсиса Бэкона, сэра Исаака Ньютона, Джона Локка, Бенджамина Томпсона (графа Румфорда) и сэра Хамфри Дэви. Хотя такие поиски оправданы, Джоуль оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 фут-фунта, основываясь на публикациях Румфорда. Некоторые современные авторы критикуют этот подход, поскольку эксперименты Румфорда не представляли собой систематических количественных измерений. В одной из личных записей Джоуль утверждает, что измерения Майера не были точнее измерений Румфорда, возможно, надеясь, что Майер не предвидел его собственные работы. Джоулю приписывают объяснение феномена зеленой вспышки на закате в письме в Манчестерское литературное и философское общество в 1869 году; на самом деле он лишь отметил (с эскизом), что последний луч света имеет голубовато-зеленый оттенок, не пытаясь объяснить причину этого явления.
Kinetics is the science of motion. Joule was a pupil of Dalton and it is no surprise that he had learned a firm belief in the atomic theory, even though there were many scientists of his time who were still skeptical. He had also been one of the few people receptive to the neglected work of John Herapath on the kinetic theory of gases. He was further profoundly influenced by Peter Ewart's 1813 paper "On the measure of moving force". Joule perceived the relationship between his discoveries and the kinetic theory of heat. His laboratory notebooks reveal that he believed heat to be a form of rotational, rather than translational motion. Joule could not resist finding antecedents of his views in Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson (Count Rumford) and Sir Humphry Davy. Though such views are justified, Joule went on to estimate a value for the mechanical equivalent of heat of 1,034 foot pound from Rumford's publications. Some modern writers have criticised this approach on the grounds that Rumford's experiments in no way represented systematic quantitative measurements. In one of his personal notes, Joule contends that Mayer's measurement was no more accurate than Rumford's, perhaps in the hope that Mayer had not anticipated his own work. Joule has been attributed with explaining the sunset green flash phenomenon in a letter to the Manchester Literary and Philosophical Society in 1869; actually, he merely noted (with a sketch) the last glimpse as bluish green, without attempting to explain the cause of the phenomenon.
Опубликованные работы
Представлено Британской ассоциации в Кембридже, июнь 1845 года.
Read before the British Association at Cambridge, June 1845.