Порядок явно поддерживается во вселенной... управляемый суверенной волей Бога.
James Prescott Joule был английским физиком, математиком и пивоваром, родившимся в Salford, Lancashire. Joule изучал природу тепла и открыл его связь с механической работой, см. энергия. Это привело к закону сохранения энергии, который, в свою очередь, привел к развитию первого закона термодинамики. Единица энергии, производная от системы СИ, джоуль, названа в его честь.
Он работал с Lord Kelvin над разработкой абсолютной термодинамической шкалы температур, которая стала называться шкалой Kelvin. Joule также проводил наблюдения магнитострикции и обнаружил связь между током, проходящим через резистор, и рассеянным теплом, что также называется первым законом Joule. Его эксперименты по трансформации энергии были впервые опубликованы в 1843 году.
Ранние годы
James Joule родился в 1818 году, сын Benjamin Joule 1784–1858, богатого пивовара, и его жены Alice Prescott, на New Bailey Street в Salford. Joule обучался в молодости известным ученым John Dalton и находился под сильным влиянием химика William Henry и инженеров Manchester Peter Ewart и Eaton Hodgkinson. Он был очарован электричеством, и он со своим братом экспериментировали, давая друг другу электрические удары и слугам семьи.
Во взрослом возрасте Joule управлял пивоварней. Наука была для него просто серьезным хобби. Примерно в 1840 году он начал исследовать возможность замены паровых двигателей пивоварни недавно изобретенным электродвигателем. Его первые научные работы на эту тему были опубликованы в Annals of Electricity William Sturgeon. Joule был членом London Electrical Society, учрежденного Sturgeon и другими.
Мотивированный отчасти желанием бизнесмена количественно оценить экономику выбора, а отчасти своей научной любознательностью, он начал определять, какой источник энергии был более эффективным. Он открыл первый закон Joule в 1841 году, что тепло, выделяемое при надлежащем действии любого вольтова тока, пропорционально квадрату интенсивности этого тока, умноженному на сопротивление проводимости, которое он испытывает. Он понял, что сжигание фунта угля в паровом двигателе было более экономичным, чем дорогостоящий фунт цинка, потребляемый в электрической батарее. Joule выразил выход альтернативных методов в единой мере - способности поднять массу в один фунт на высоту в один фут, фут-фунт.
Однако интерес Joule отклонился от узкого финансового вопроса к тому, сколько работы можно извлечь из данного источника, что привело его к предположению о конвертируемости энергии. В 1843 году он опубликовал результаты экспериментов, показывающих, что тепловой эффект, который он количественно оценил в 1841 году, был вызван генерированием тепла в проводнике, а не его передачей из другой части оборудования. Это было прямым вызовом теории калорика, которая утверждала, что тепло не может быть создано или уничтожено. Теория калорика доминировала в науке о тепле с момента её введения Antoine Lavoisier в 1783 году. Престиж Lavoisier и практический успех теории калорика Sadi Carnot о тепловых двигателях с 1824 года обеспечили, что молодой Joule, работающий вне академии и инженерной профессии, столкнулся с трудной дорогой. Сторонники теории калорика легко указывали на симметрию эффекта Peltier–Seebeck, утверждая, что тепло и ток были конвертируемы, по крайней мере, в приблизительно обратимом процессе.
Механический эквивалент тепла
Дальнейшие эксперименты и измерения с его электродвигателем привели Joule к оценке механического эквивалента тепла как 4,1868 джоуля на калорию работы по повышению температуры одного грамма воды на один Kelvin. Он объявил свои результаты на встрече химической секции British Association for the Advancement of Science в Cork в августе 1843 года и был встречен молчанием.
Joule не был обескуражен и начал искать чисто механическую демонстрацию преобразования работы в тепло. Пропуская воду через перфорированный цилиндр, он мог измерить незначительное вязкое нагревание жидкости. Он получил механический эквивалент 770 фут-фунтов силы на британскую тепловую единицу 4,140 Дж/Кал. Тот факт, что значения, полученные как электрическим, так и чисто механическим путем, совпадали как минимум на один порядок величины, для Joule был убедительным доказательством реальности конвертируемости работы в тепло.
Везде, где прилагается механическая сила, всегда получается точный эквивалент тепла.
Joule попробовал третий маршрут. Он измерил выделяемое тепло против проделанной работы по сжатию газа. Он получил механический эквивалент 798 фут-фунтов силы на британскую тепловую единицу 4,290 Дж/Кал. Во многих отношениях этот эксперимент предоставлял самую легкую мишень для критиков Joule, но Joule устранил предвидимые возражения умным экспериментированием. Joule прочитал свою работу Королевскому обществу 20 июня 1844 года, но его работа была отклонена для публикации Королевским обществом, и ему пришлось довольствоваться публикацией в Philosophical Magazine в 1845 году. В своей работе он был откровенен в своем отрицании калорического рассуждения Carnot и Émile Clapeyron, отрицании частично мотивированном теологией:
Я полагаю, что эта теория ... противоречит признанным принципам философии, поскольку приводит к выводу, что vis viva может быть разрушена ненадлежащим расположением аппарата: Таким образом, мистер Clapeyron делает вывод, что «температура огня в 1000 °C–2000 °C выше, чем у котла, существует огромная потеря vis viva при переходе тепла из печи в котел». Веря, что власть разрушать принадлежит только Творцу, я утверждаю ... что любая теория, которая при развертывании требует уничтожения силы, необходимо ошибочна.
Здесь Joule принимает язык vis viva энергии, возможно, потому, что Hodgkinson прочитал обзор On the measure of moving force Ewart в Literary and Philosophical Society в апреле 1844 года.
Joule писал в своей работе 1844 года:
... механическая мощность, приложенная при повороте магнитно-электрической машины, преобразуется в тепло, выделяемое при прохождении токов индукции через его катушки; и, с другой стороны, движущая сила электромагнитного двигателя получается за счет тепла, обусловленного химическими реакциями батареи, которой он питается.
В июне 1845 года Joule прочитал свою работу On the Mechanical Equivalent of Heat на встрече British Association в Cambridge. В этой работе он сообщил о своем наиболее известном эксперименте, включающем использование падающего груза, при котором гравитация совершает механическую работу для вращения лопастного колеса в изолированном барреле воды, который повышал температуру. Теперь он оценил механический эквивалент 819 фут-фунтов силы на британскую тепловую единицу 4,404 Дж/Кал. Он написал письмо в Philosophical Magazine, опубликованное в сентябре 1845 года с описанием своего эксперимента.
В 1850 году Joule опубликовал уточненное измерение 772,692 фут-фунтов силы на британскую тепловую единицу 4,150 Дж/Кал, ближе к оценкам двадцатого века.
Признание и приоритет
Большая часть первоначального сопротивления работе Joule исходила из его зависимости от чрезвычайно точных измерений. Он утверждал, что способен измерять температуры в пределах 1⁄200 градуса Фаренгейта 3 мК. Такая точность, несомненно, была необычной в современной экспериментальной физике, но его скептики могли пренебречь его опытом в искусстве пивоварения и доступом к его практическим технологиям. Он также был хорошо поддержан создателем научных приборов John Benjamin Dancer. Эксперименты Joule дополняли теоретическую работу Rudolf Clausius, который некоторыми считается соавтором концепции энергии.
Joule предлагал кинетическую теорию тепла, он считал его формой ротационной, а не трансляционной кинетической энергии, и это требовало концептуального скачка: если тепло было формой молекулярного движения, почему движение молекул не постепенно затухает? Идеи Joule требовали веры в то, что столкновения молекул были идеально упругими. Мы также должны помнить, что само существование атомов и молекул не было широко признано еще 50 лет.
Хотя сегодня может быть трудно понять привлекательность теории калорика, в то время она казалась имеющей некоторые явные преимущества. Успешная теория тепловых двигателей Carnot также была основана на предположении о калорике, и только позже было доказано Lord Kelvin, что математика Carnot была столь же верна без предположения о калорическом жидком веществе.
Однако в Germany Hermann Helmholtz узнал как о работе Joule, так и об аналогичной работе 1842 года Julius Robert von Mayer. Хотя оба мужчины были пренебрегаемы со времени своих соответствующих публикаций, категоричное заявление Helmholtz о сохранении энергии в 1847 году признал их обоих.
Также в 1847 году другой из презентаций Joule на British Association в Oxford посетили George Gabriel Stokes, Michael Faraday и многообещающий и мятежный William Thomson, позже ставший Lord Kelvin, который только что был назначен профессором натуральной философии в University of Glasgow. Stokes был «склонен быть Joule-итом», а Faraday был «очень впечатлен этим», хотя он питал сомнения. Thomson был заинтригован, но скептичен.
Неожиданно Thomson и Joule встретились позже в том же году в Chamonix. Joule женился на Amelia Grimes 18 августа, и пара отправились в свадебное путешествие. Несмотря на супружеский энтузиазм, Joule и Thomson договорились предпринять попытку эксперимента несколько дней спустя для измерения разницы температур между верхней и нижней частью водопада Cascade de Sallanches, хотя это впоследствии оказалось нецелесообразным.
Хотя Thomson считал, что результаты Joule требовали теоретического объяснения, он отступил в живую защиту школы Carnot-Clapeyron. В своем отчете 1848 года об абсолютной температуре Thomson писал, что «преобразование тепла или калорика в механический эффект, вероятно, невозможно, точно не обнаружено» – но сноска сигнализировала его первые сомнения в теории калорика, ссылаясь на «очень замечательные открытия» Joule. Удивительно, что Thomson не отправил Joule копию своей работы, но когда Joule в конце концов прочитал ее, он написал Thomson 6 октября, утверждая, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планировал дальнейшие эксперименты. Thomson ответил 27-го, раскрывая, что он планировал свои собственные эксперименты и надеялся на примирение их двух точек зрения. Хотя Thomson не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился все более недовольным теорией Carnot и убежденным в работе Joule. В своей работе 1851 года Thomson был готов идти не дальше компромисса и объявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на двух предложениях, соответственно принадлежащих Joule и Carnot и Clausius».
Как только Joule прочитал работу, он написал Thomson со своими комментариями и вопросами. Таким образом началось плодотворное, хотя в основном эпистолярное, сотрудничество между двумя людьми, Joule проводил эксперименты, Thomson анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество длилось с 1852 по 1856 год, его открытия включают эффект Joule–Thomson, и опубликованные результаты сделали много, чтобы способствовать всеобщему признанию работы Joule и кинетической теории.
Кинетическая теория
Кинетика — это наука о движении. Joule был учеником Dalton и неудивительно, что он усвоил твердую веру в атомную теорию, хотя было много ученых его времени, которые по-прежнему скептически относились к ней. Он также был одним из немногих людей, восприимчивых к пренебрегаемой работе John Herapath по кинетической теории газов. Он также находился под глубоким влиянием статьи Peter Ewart 1813 года On the measure of moving force.
Joule воспринял связь между его открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные записные книжки показывают, что он считал тепло формой ротационного, а не трансляционного движения.
Joule не мог удержаться от поиска предшественников своих взглядов в Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Count Rumford и Sir Humphry Davy. Хотя такие взгляды оправданы, Joule продолжал оценивать значение механического эквивалента тепла в 1034 фут-фунта из публикаций Rumford. Некоторые современные писатели критиковали этот подход на том основании, что эксперименты Rumford никоим образом не представляли систематические количественные измерения. В одной из своих личных заметок Joule утверждает, что измерение Mayer было не более точным, чем у Rumford, возможно, в надежде, что Mayer не предвосхитил его собственную работу.
Joule приписывается объяснение явления зеленой вспышки при закате в письме Manchester Literary and Ph
.jpg)
