Введение

В истории науки, механический эквивалент тепла утверждает, что движение и тепло взаимно взаимозаменяемы и что в любом случае, данное количество работы будет генерировать такое же количество тепла, при условии, что выполненная работа полностью преобразована в тепловую энергию. Механический эквивалент тепла был концепцией, которая сыграла важную роль в развитии и принятии принципа сохранения энергии и создании науки о термодинамике в 19 веке. Его независимое и одновременное открытие Джеймсом Прескоттом Джоулем и Джулиусом Робертом фон Майером привело к спору о приоритете.

История и спор о приоритете

Бенджамин Томпсон, граф Рамфорд, наблюдал трение, создаваемое отбойным орудием на арсенале в Мюнхене, Бавария, около 1797 года Рамфорд погрузил пушечный ствол в воду и пристроил специально тупой отбойный инструмент. Он показал, что воду можно было прокипятить примерно за два с половиной часа, и что источник тепла трения, казалось бы, неисчерпаем. На основе своих экспериментов он опубликовал "Экспериментальное исследование о источнике тепла, возбуждаемого трением" (1798), Философские транзакции Королевского общества, стр. 102. Эта научная статья стала серьезной проблемой для утвержденных теорий тепла и начала революцию в термодинамике в 19 веке. Эксперимент вдохновил работу Джеймса Прескотта Джюля в 1840-х годах. Более точные измерения эквивалентности Джоуля сыграли ключевую роль в установлении кинетической теории за счет калорической теории. Идея о том, что тепло и работа эквивалентны, была также предложена Джулиусом Робертом фон Майером в 1842 году в ведущем немецком физическом журнале и независимо от него Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1843 году в ведущем британском физическом журнале. Подобная работа была выполнена Людвигом А. Колдингом в 1840-1843 годах, хотя работа Колдинга была мало известна за пределами его родной Дании. В сотрудничестве между Николасом Клементом и Сади Карно в 1820-х годах были некоторые связанные мысли, близкие к тем же линиям. В 1845 году Джоул опубликовал статью под названием "Механический эквивалент тепла", в которой он указал числовое значение для количества механической работы, необходимой для производства единицы тепла. В частности, Джоул экспериментировал с количеством механической работы, генерируемой трением, необходимого для повышения температуры фунта воды на один градус по Фаренгейту, и обнаружил последовательное значение силы 778,24 фута фунта (4,1550 Дж·каль−1). Джоул утверждал, что движение и тепло взаимно взаимозаменяемы и что в каждом случае, за данное количество работы будет генерироваться одинаковое количество тепла. В 1845 году фон Майер опубликовал числовое значение механического эквивалента тепла, но его экспериментальный метод оказался менее убедительным. Хотя стандартизированное значение 4,1860 Дж·каль−1 было установлено в начале 20-го века, в 1920-х годах в конечном итоге было понято, что константа - это просто удельная теплота воды, величина, которая варьируется с температурой между значениями 4,17 и 4,22 Дж·г−1°С−1. Изменение единицы было результатом исчезновения калории как единицы в физике и химии. И фон Майер, и Джоул столкнулись с первоначальным пренебрежением и сопротивлением, несмотря на публикации в ведущих европейских физических журналах, но к 1847 году многие ведущие ученые того времени обратили внимание. Герман Гельмгольц в 1847 году опубликовал то, что считается окончательной декларацией сохранения энергии. Гельмгольц учился на чтении публикаций Джоуля, хотя в конечном итоге Гельмгольц пришел к тому, чтобы признать приоритетность как Джоуля, так и фон Майера. Также в 1847 году Джоуль выступил с презентацией на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки. Среди присутствовавших был Уильям Томсон. Томсон был заинтригован, но сначала скептически относился к этому. В течение следующих двух лет Томсон становился все более убежденным в теории Джоуля, наконец, признавая свою убежденность в печати в 1851 году, одновременно приписывая фон Майеру. Томсон сотрудничал с Джоулем, в основном по переписке, Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество продолжалось с 1852 по 1856 год. Его опубликованные результаты способствовали общему признанию работы Джоуля и кинетической теории. Однако в 1848 году фон Майер впервые увидел работы Джоуля и написал французской Академии наук, чтобы подтвердить приоритет. Его письмо было опубликовано в Comptes Rendus, и Джоуль быстро отреагировал. Тесные отношения Томсона с Джоулем позволили ему оказаться втянутым в спор. Пара планировала, что Джоул признает приоритет фон Майера для идеи механического эквивалента, но утверждает, что экспериментальная проверка зависела от Джоула. Сотрудники Томсона, коллеги и родственники, такие как Уильям Джон Маккуорн Рэнкин, Джеймс Томсон, Джеймс Клерк Максвелл и Питер Гатри Тейт, присоединились к делу Джоуля. Однако в 1862 году Джон Тиндалл, в одной из своих многочисленных экскурсий в науку и многочисленных публичных споров с Т...