Джеймс Прескотт Джоуль - James Prescott Joule

Джеймс Прескотт Джоуль

ФРС FRSE
Джоуль Джеймс сидит.jpg
Родился(1818-12-24)24 декабря 1818 г.
Salford, Ланкашир, Англия
Умер11 октября 1889 г.(1889-10-11) (в возрасте 70 лет)
Продажа, Чешир, Англия
ГражданствоБританский
ИзвестенПервый закон термодинамики
Опровергая теория калорий
Супруг (а)Амелия Граймс
(м. 1847–1854)
ДетиБенджамин Артур
Алиса Амелия
Генри
НаградыКоролевская медаль (1852)
Медаль Копли (1870)
Медаль Альберта (1880)
Научная карьера
ПоляФизика
ВлиянияДжон Далтон
Джон Дэвис
Электродвигатель подарен Кельвин Джеймсом Джоулем в 1842 году. Хантерианский музей, Глазго.

Джеймс Прескотт Джоуль ФРС FRSE (/dʒаʊл,dʒuл/;[1][2][а] 24 декабря 1818 - 11 октября 1889) был англичанином физик, математик и пивовар, рожден в Salford, Ланкашир. Джоуль изучал природу высокая температура, и обнаружил его связь с механическая работа (увидеть энергия ). Это привело к закон сохранения энергии, что, в свою очередь, привело к развитию первый закон термодинамики. В Производная единица СИ энергии, джоуль, назван в его честь.

Он работал с Лорд Кельвин разработать абсолютную термодинамику температура шкала, которую стали называть Кельвин масштаб. Джоуль также наблюдал за магнитострикция, и он обнаружил связь между текущий через резистор и жара рассеянный, который также называют Первый закон Джоуля. Его эксперименты по преобразованию энергии были впервые опубликованы в 1843 году.

Ранние года

Джеймс Джоуль родился в 1818 году в семье Бенджамина Джоуля (1784–1858), богатого человека. пивовар, и его жена Элис Прескотт на Нью-Бейли-стрит в Salford.[3] В молодости Джоуля обучал знаменитый ученый. Джон Далтон и находился под сильным влиянием химика Уильям Генри и Манчестер инженеры Питер Юарт и Итон Ходжкинсон. Он был очарован электричество, и он и его брат экспериментировали, пытая электрическим током друг друга и слуг семьи.

Став взрослым, Джоуль руководил пивоварней. Наука была просто серьезным хобби. Примерно в 1840 году он начал исследовать возможность замены пивоварни Паровые двигатели с недавно изобретенным электрический двигатель. Его первый научные статьи по этому вопросу были внесены в Уильям Стерджен с Анналы электричества. Джоуль был членом Лондонское электрическое общество, созданная Sturgeon и другими.

Частично мотивировано желанием бизнесмена количественно оценить экономика Из-за своего выбора и отчасти благодаря своей научной любознательности он решил определить, какой из основных двигателей был более эффективным. Он открыл Первый закон Джоуля в 1841 г. то высокая температура который развивается в результате правильного действия любого гальванический ток пропорциональна квадрату силы этого тока, умноженной на сопротивление проводимость который он переживает.[4] Он продолжал понимать, что сжигание фунт угля в паровой машине было экономичнее, чем дорогой фунт цинк потребляется в электрическом аккумулятор. Джоуль зафиксировал результативность альтернативных методов в терминах общего стандарта, способности поднять массу весом в один фунт на высоту в один фунт. ступня, то фут-фунт.

Однако интерес Джоуля переключился с узкого финансового вопроса на вопрос о том, сколько работы можно извлечь из данного источника, что привело его к размышлениям о конвертируемости энергия. В 1843 г. он опубликовал результаты экспериментов, показавшие, что обогрев эффект, который он количественно оценил в 1841 году, был связан с выделением тепла в дирижер а не перенос его из другой части оборудования. Это был прямой вызов теория калорий которые держали это тепло, нельзя было ни создать, ни уничтожить. Теория калорий доминировала в мышлении в науке о тепле с тех пор, как Антуан Лавуазье в 1783 году. Престиж Лавуазье и практический успех Сади Карно калорийная теория Тепловой двигатель с 1824 г. добился того, что молодой Джоуль, работая на улице либо академия или инженерное дело профессия, впереди был непростой путь. Сторонники теории калорийности охотно указывали на симметрию Эффект Пельтье-Зеебека утверждать, что тепло и ток могут быть преобразованы, по крайней мере, приблизительно, обратимый процесс.

Механический эквивалент тепла

Дальнейшие эксперименты и измерения с его электродвигателем привели Джоуля к оценке механический эквивалент тепла как 4.1868 джоули на калорийность работы по повышению температуры одного грамма воды на один градус Кельвина.[b] О своих результатах он объявил на заседании химической секции Британская ассоциация развития науки в Пробка в августе 1843 г. и был встречен молчанием.[6]

Джоуль не испугался и начал искать чисто механическую демонстрацию превращения работы в тепло. Пропустив воду через перфорированный цилиндр, он смог измерить небольшой вязкий нагрев жидкости. Он получил механический эквивалент силы в 770 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4140 Дж / кал). Тот факт, что значения, полученные как электрическими, так и чисто механическими средствами, согласуются по крайней мере с одним порядок величины был для Джоуля неопровержимым доказательством того, что работа превращается в тепло.

Куда бы ни прилагалась механическая сила, всегда получается точный эквивалент тепла.

— Дж. П. Джоуль, август 1843 г.

Джоуль попробовал третий путь. Он измерил выделяемое тепло по сравнению с работой, выполняемой при сжатии газа. Он получил механический эквивалент силы в 798 футов фунт на британскую тепловую единицу (4290 Дж / кал). Во многих отношениях этот эксперимент был самой легкой мишенью для критиков Джоуля, но Джоуль избавился от ожидаемых возражений с помощью хитроумных экспериментов. Джоуль прочитал свой доклад Королевское общество 20 июня 1844 г.,[7][8] но его статья была отклонена для публикации Королевским обществом, и ему пришлось довольствоваться публикацией в Философский журнал в 1845 г.[9] В статье он категорически отверг калорийность рассуждения Карно и Эмиль Клапейрон, отчасти отказ теологически ведомый:

Я полагаю, что эта теория ... противоречит признанным принципам философии, потому что она приводит к выводу, что vis viva могут быть уничтожены из-за неправильного размещения устройства: Таким образом, г-н Клапейрон делает вывод, что «температура огня на 1000–2000 ° C выше, чем температура котла, возникает огромная потеря vis viva в передаче тепла от топки к котлу ». Полагая, что способность разрушать принадлежит только Создателю, я утверждаю ... что любая теория, которая, когда она выполняется, требует уничтожения силы, обязательно ошибочна.

Джоуль здесь использует язык vis viva (энергия), возможно, потому что Ходжкинсон читал обзор Юарта О мере движущей силы в Литературно-философское общество в апреле 1844 г.

Джоуль писал в своей статье 1844 года:

... механическая сила, прилагаемая к вращению магнитоэлектрической машины, равна превращается в тепло возникла в результате прохождения индукционных токов через его катушки; и, с другой стороны, что движущая сила электромагнитного двигателя получается за счет тепла из-за химических реакций батареи, от которой он работает.

В июне 1845 года Джоуль прочитал свою газету. О механическом эквиваленте тепла на встречу Британской ассоциации в Кембридж.[10] В этой работе он сообщил о своем самом известном эксперименте с использованием падающего груза, в котором гравитация выполняет механическую работу, чтобы вращать гребное колесо в изолированной бочке с водой, которая повысила температуру. Теперь он оценил механический эквивалент силы в 819 фут-фунтов на британскую тепловую единицу (4 404 Дж / кал). Он написал письмо в Philosophical Magazine, опубликованное в сентябре 1845 года, с описанием своего эксперимента.[11]

Аппарат Джоуля, 1845 г.

В 1850 году Джоуль опубликовал уточненное значение 772,692 фут-фунта силы на британскую тепловую единицу (4150 Дж / кал), что ближе к оценкам двадцатого века.[12]

Прием и приоритет

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента тепла
По поводу разногласий по поводу приоритета с Майером см. Механический эквивалент тепла § Приоритет.

Первоначальное сопротивление работе Джоуля во многом объяснялось его зависимостью от чрезвычайно точный измерения. Он утверждал, что может измерять температуру с точностью до1⁄200 градуса Фаренгейта (3 мК). Такая точность, безусловно, была необычной для современной экспериментальной физики, но его сомневающиеся, возможно, пренебрегли его опытом в искусстве пивоварения и его доступом к его практическим технологиям.[13] Его также умело поддержали научный инструмент -мейкер Джон Бенджамин Дэнсер. Эксперименты Джоуля дополнили теоретические работы Рудольф Клаузиус, которого некоторые считают соавтором концепции энергии.

Джоуль предлагал кинетическую теорию тепла (он считал, что это форма вращательного, а не поступательного кинетическая энергия ), и это потребовало концептуального скачка: если тепло было формой молекулярного движения, почему движение молекул не прекратилось постепенно? Идеи Джоуля требовали от человека верить в то, что столкновения молекул были совершенно упругими. Также следует помнить, что само существование атомы и молекулы не получил широкого распространения еще 50 лет.

Хотя сегодня может быть трудно понять привлекательность теория калорий, в то время казалось, что у этого есть очевидные преимущества. Карно Успешная теория тепловых двигателей России также была основана на предположении о теплоте энергии, и только позже она была доказана Лорд Кельвин что математические расчеты Карно одинаково верны, не предполагая калорийной жидкости.

Однако в Германии Герман Гельмгольц стало известно как о работе Джоуля, так и о схожей работе 1842 г. Юлиус Роберт фон Майер. Хотя обоими мужчинами пренебрегали со времени их публикаций, окончательное заявление Гельмгольца 1847 г. сохранение энергии зачислил их обоих.

Также в 1847 г. состоялась еще одна презентация Джоуля в Британской ассоциации в г. Оксфорд присутствовал Джордж Габриэль Стоукс, Майкл Фарадей, и не по годам развитый и индивидуальный Уильям Томсон, впоследствии ставший лордом Кельвином, который только что был назначен профессором естественная философия на Университет Глазго. Стоукс был «склонен быть джулитом», и Фарадей был «сильно поражен этим», хотя и питал сомнения. Томсон был заинтригован, но настроен скептически.

Неожиданно Томсон и Джоуль встретились позже в том же году в Шамони. 18 августа Джоуль женился на Амелии Граймс, и пара отправилась в свадебное путешествие. Несмотря на семейный энтузиазм, Джоуль и Томсон договорились через несколько дней попробовать эксперимент по измерению разницы температур между верхней и нижней частью Каскад де Салланш водопад, хотя впоследствии это оказалось непрактичным.

Хотя Томсон чувствовал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил в энергичную защиту школы Карно-Клапейрона. В его отчете 1848 г. абсолютная температура Томсон писал, что «преобразование тепла (или калорийности) в механический эффект, вероятно, невозможно, и уж точно не обнаружено».[14][15] - но сноска сигнализировала о его первых сомнениях в теории калорийности, ссылаясь на «очень замечательные открытия» Джоуля. Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль, наконец, прочитал ее, он написал Томсону 6 октября, заявив, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планирует дальнейшие эксперименты. Томсон ответил 27-го, сказав, что он планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух взглядов. Хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился все более неудовлетворенным теорией Карно и убеждался в теории Джоуля. В своей статье 1851 года Томсон не хотел идти дальше компромисса и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на двух положениях, принадлежащих соответственно Джоуля, Карно и Клаузиусу».

Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону свои комментарии и вопросы. Так началось плодотворное, хотя и в значительной степени эпистолярное, сотрудничество между двумя мужчинами: Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество длилось с 1852 по 1856 год, его открытия, в том числе Эффект Джоуля – Томсона, а опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетическая теория.

Кинетическая теория

Джеймс Прескотт Джоуль

Кинетика - это наука о движении. Джоуль был учеником Далтона, и неудивительно, что он усвоил твердую веру в атомная теория, хотя многие ученые его времени все еще были настроены скептически. Он также был одним из немногих людей, восприимчивых к забытой работе Джон Герапат на кинетическая теория газов. Далее он находился под сильным влиянием Питер Юарт бумага 1813 года О мере движущей силы.

Джоуль понял связь между своими открытиями и кинетической теорией тепла. Его лабораторные записи показывают, что он считал тепло формой вращательного, а не поступательного движения.

Джоуль не мог удержаться от того, чтобы найти предшественников своих взглядов в Френсис Бэкон, Сэр Исаак Ньютон, Джон Локк, Бенджамин Томпсон (граф Рамфорд) и сэр Хэмфри Дэви. Хотя такие взгляды оправданы, Джоуль далее оценил значение механического эквивалента тепла в 1034 фут-фунта из публикаций Рамфорда. Некоторые современные авторы критиковали этот подход на том основании, что эксперименты Рамфорда никоим образом не представляли систематических количественных измерений. В одной из своих личных заметок Джоуль утверждает, что измерения Майера больше не точный чем у Рамфорда, возможно, в надежде, что Майер не ожидал своей собственной работы.

Джоуль был приписан объяснению заката зеленая вспышка явление в письме к Манчестерское литературно-философское общество в 1869 г .; на самом деле, он просто отметил (сделав набросок) последний проблеск как сине-зеленый, не пытаясь объяснить причину явления.[16]

Опубликованная работа

Почести

Статуя Джоуля в Манчестерская ратуша
Надгробие Джоуля в Brooklands кладбище, Продажа

Джоуль умер дома в Продажа[17] и похоронен в Brooklands кладбище есть. На его надгробии начертано число «772,55», это его кульминационное измерение механического эквивалента тепла 1878 года, в котором он обнаружил, что это количество фут-фунты работы должны быть затрачены на уровень моря поднять температура одного фунт воды из 60 ° F к 61 ° F. Также есть цитата из Евангелие от Иоанна: «Я должен совершить дело Пославшего меня, пока день; наступает ночь, когда никто не может работать».[Иоанна 9: 4] Уэтерспун паб в Продажа, город его смерти, назван в его честь "Дж. П. Джоуль". Семейная пивоварня Джоуля сохранилась до наших дней, но теперь она находится в Маркет Дрейтон.[18]

Многие награды и награды Джоуля включают:

В северном хоровом проходе находится памятник Джоуля. Вестминстерское аббатство,[20] хотя он не похоронен там, вопреки тому, что утверждают некоторые биографии. Статуя Джоуля. Альфред Гилберт стоит в Манчестерская ратуша, напротив Далтона.

Семья

В 1847 году Джоуль женился на Амелии Граймс. Джоуль овдовела, когда умерла в 1854 году, через 7 лет после их свадьбы.[3] У них было трое детей: сын Бенджамин Артур Джоуль (1850–1922), дочь Алиса Амелия (1852–1899) и второй сын Джо (родился в 1854 году, умер через три недели).[21]

Смотрите также

использованная литература

Сноски

  1. ^ OED: "Хотя некоторые люди с таким именем называют себя (dʒaʊl), и другие (dʒəʊl) [формат OED для /dʒoʊл/], почти наверняка Дж. П. Джоуль (и по крайней мере некоторые из его родственников) использовали (dʒuːl)."
  2. ^ Единица Джоуля 1 фут-фунт-сила / британская тепловая единица соответствует 5.3803×10−3 Дж / кал. Таким образом, оценка Джоуля была 4,15 Дж / кал, по сравнению со значением, принятым в начале 20 века 4,1860 Дж / кал[5]

Цитаты

  1. ^ Мюррей 1901, п. 606.
  2. ^ Аллен 1943, п. 354.
  3. ^ а б Биографический указатель 2006 г..
  4. ^ Джоуль 1841, п. 260.
  5. ^ Земанский 1968, п. 86.
  6. ^ Джоуль 1843, стр. 263, 347 и 435.
  7. ^ Джоуль 1844.
  8. ^ Джоуль 1884, п. 171.
  9. ^ Джоуль 1845 С. 369–383.
  10. ^ Джоуль 1845b, п. 31.
  11. ^ Джоуль 1845c С. 205-207.
  12. ^ Джоуль 1850 С. 61-82.
  13. ^ Сибум 1995.
  14. ^ Томсон 1848.
  15. ^ Томсон 1882 С. 100-106.
  16. ^ Джоуль 1884, п.606.
  17. ^ Регистр смертей GRO: DEC 1889 8a 121 ALTRINCHAM - Джеймс Прескотт Джоуль
  18. ^ Холлоуэй, Марк. «Наша история - пивоварня Joules». joulesbrewery.co.uk. Получено 17 сентября 2019.
  19. ^ Кэмерон, Стюарт Д. (без даты). «Почетные члены и стипендиаты». Институт инженеров и судостроителей в Шотландии. Получено 17 сентября 2019.
  20. ^ Зал 1966, п. 62.
  21. ^ Кардуэлл 1991, п. 322.

Источники

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Профессиональные и академические ассоциации
Предшествует
Сэр Уильям Фэйрбэрн, Bt		 Президент Манчестерское литературно-философское общество
1860–62		Преемник
Эдвард Уильям Бинни
Предшествует
Генри Эдвард Шунк		 Президент Манчестерское литературно-философское общество
1868–70		Преемник
Эдвард Уильям Бинни
Предшествует
Эдвард Уильям Бинни		 Президент Манчестерское литературно-философское общество
1872–74		Преемник
Генри Эдвард Шунк
Предшествует
Эдвард Уильям Бинни		 Президент Манчестерское литературно-философское общество
1878–80		Преемник
Эдвард Уильям Бинни
Предшествует
Джон Холт Стэнвей		 Секретарь Манчестерское литературно-философское общество
1846–50		Преемник
Эдвард Уильям Бинни