Краткая биография выдающегося английского физика Джеймса Прескотта Джоуля. Исследование механической работы, электричества и теплоты, проведение экспериментов. Принцип сохранения энергии, появление термодинамики. Эффект Джоуля-Томсона, наследие Джоуля.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Выдающиеся ученые: Джоуль

Содержание

• Детство и юность
• Захватывающие эксперименты
• Важное одобрение
• Новая научная дисциплина - Термодинамика
• Знаменитая работа Джоуля
• Эффект Джоуля-Томсона
• Талантливый экспериментатор
• Вера в Библию
• Библиографический список

Детство и юность

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря, 1818 года в английском городке Салфорде, расположенном вблизи Манчестера. Он был вторым из пяти детей в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. В детстве Джеймс был слабым и стеснительным ребёнком, у которого были проблемы с позвоночником. Эти обстоятельства, ограничивающие его активность, стали причиной того, что он предпочёл науку физической деятельности. Несмотря на то, что позже проблема с позвоночником уже не так беспокоила его, это отразилось на всей его жизни.

До пятнадцати лет Джеймс обучался дома. Затем он стал работать на пивоваренном заводе, принадлежащем его семье. Тем не менее, он и его старший брат продолжали брать частные уроки в Манчестере.

С 1834 по 1837 год, известный английский химик Джон Далтон преподавал им химию, физику, научный метод и математику (как и Джеймс Джоуль, Далтон был христианином, верующим в Библию). Джеймс с благодарностью признавал, что Далтон сыграл основную роль в том, что он стал учёным. "Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований" - говорил Джоуль.

Когда их отец заболел, Джеймс и его брат начали заниматься делами на пивоваренном заводе, поэтому у Джеймса не было возможности посещать университет. Но, несмотря на это, его заветным желанием было продолжать изучать науку, и поэтому он создал у себя дома лабораторию, в которой и начал проводить свои эксперименты каждый день до и после работы. Джеймс рассматривал своё желание изучать науку как естественный результат своей христианской веры. Как он позже писал, "это очевидно, что познание законов природы означает не меньше, чем ознакомление с Божьим разумом, выраженным в этих законах".

Захватывающие эксперименты

В 1839 году Джоуль начал ряд экспериментов, в которых он исследовал механическую работу, электричество и теплоту. В 1840 году он послал свою работу "Об образовании Теплоты с помощью Вольтовского (Гальванического) Электричества" в Королевское Научное Общество в Лондоне - самое престижное общество британских учёных.

В своей работе он показал, что количество производимой теплоты за секунду в проводе с электрическим током равно квадрату тока (I) умноженного на сопротивление (R) провода, это выражено формулой, P=IІR. Зависимость известна как закон Джоуля (количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока). Работа Джоуля не вызвала большого энтузиазма в Королевском Научном Обществе, и было опубликовано лишь краткое изложение полученных им данных.

В 1843 году Джоуль вычислил количество механической работы, которое необходимо для образования эквивалентного количества теплоты. Эта величина была названа "механическим эквивалентом теплоты". Он снова передал данные своих наблюдений на рассмотрение - но на этот раз Британской Ассоциации Развития науки. И опять его работа не вызвала восторженной реакции. Несколько ведущих научных журналов также отказались опубликовать данные исследований Джоуля.

Многие учёные сомневались, стоит ли принимать его работу, но Джоуль терпеливо отстаивал свои позиции. Очень часто требуется время для того, чтобы новые идеи получили своё признание, особенно если автором этих идей является непрофессионал в данной области. Данные, полученные Джоулем, бросали вызов калорической теории, которой придерживалось большинство физиков того времени. Согласно той теории, теплота считалась жидким веществом.

джоуль термодинамика физик

Другим камнем преткновения для принятия результатов исследований Джоуля было то, что учёным было трудно поверить в невероятную точность его измерений. Но в своих экспериментах Джоуль проявлял упорство и изобретательность. Эти свойства его характера очень помогли ему избежать ошибок и получить точные результаты по сравнению с результатами предыдущих экспериментов.

Важное одобрение

Работе Джоуля относительно теплоты, электричества и механической работы не придавали большого значения вплоть до 1847 года. На его работу обратил внимание Вильям Томсон (Томсон, который позже стал известен как лорд Кельвин, был известным учёным, который также был посвященным христианином).

Несмотря на то, что в то время ему было всего лишь 23 года, Томсон уже был Профессором Физики при Университете в Глазго. Томпсон признал, что работа Джоуля вписывалась в объединяющую модель, которая уже тогда начинала появляться в физике, и он с восторгом одобрил работу Джоуля. Фактически, работа Джоуля сделала существенный вклад в процесс объединения отдельных разделов физики.

Другими учёными, которые с энтузиазмом одобрили работу Джоуля, были Майкл Фарадей и Джордж Стоукс. Одобрение нескольких выдающихся учёных открыло дверь для Джоуля, которая раньше была для него закрытой. Королевское Научное Общество готовилось пересмотреть своё отношение к работе Джоуля. В 1849 году, на слушании Королевского Научного Общества Джоуль прочитал свою работу под названием "О механическом Эквиваленте Теплоты" вместе с Фарадеем, который был его поручителем. В следующем году Королевское Научное Общество опубликовало материалы Джоуля, и он был избран членом этого престижного общества. Он стал одним из авторитетнейших ученых своего времени, обладателем многих титулов и наград.

Новая научная дисциплина - Термодинамика

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе работы Джоуля, положил начало новой научной дисциплине, известной как термодинамика. Несмотря на то, что Джоуль не был первым учёным, который предложил этот принцип, он был первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа. И хотя Томсон и ряд других учёных позже внесли огромный вклад в термодинамику, Джоуль по праву считается главным основателем термодинамики. Он показал, что " работа может превращаться в теплоту с четким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу".

Принцип сохранения энергии Джоуля лёг в основу первого закона термодинамики. Этот закон говорит о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но её можно изменять из одной формы в другую.

Исаак Азимов назвал этот закон "одним из самых важных обобщений в истории науки". Это значит, что общее количество энергии (включая материю) во Вселенной постоянно. Как С. M. Хьюз отметил в своей книге "Крах Эволюции": "Этот закон решительным образом показывает, что вселенная не сотворила себя! … Существующая структура Вселенной является результатом сохранения, а не нововведения, как этого требует теория эволюции".

Пока эволюционисты не могут объяснить, как образовалось это постоянное количество энергии/материи, Библия даёт нам такое объяснение: только Бог может создавать из ничего. Святое Писание также говорит о том, что Бог поддерживает Своё творение. Все другие изменения, которые произошли в результате человеческих усилий, или сил природы, являются просто перестройкой того, что уже существует.

Джоуль хорошо понимал религиозное значение его открытий. Он писал, что "совершенно абсурдно полагать, что можно уничтожить силы, которыми Бог наделил материю, более чем они могут быть созданы человеческой деятельностью". Закон сохранения энергии полностью соответствовал Библии, тогда как, по мнению Джоуля, некоторые аспекты калорической теории противоречили Библии.

В другом месте Джоуль писал, что "явления природы, независимо от того, механические ли, химические или жизненные, почти полностью заключаются в постоянном превращении … одних в другие. Таким образом, это значит, что во вселенной сохраняется порядок - ничего не нарушается, ничего никогда не теряется, но целый механизм, настолько сложный каков он есть, работает равномерно и гармонично… всё существующее управляется суверенной волей Бога".

Знаменитая работа Джоуля

В своей работе, имевшей огромное значение и опубликованной в 1848 году, Джоуль стал первым учёным, который подсчитал быстроту (скорость) молекул газа. Эта ранняя работа о кинетической теории газов была позже продолжена другими учёными, в особенности выдающимся шотландским физиком Джеймсом Максвеллом (ещё один посвященный христианин).

Джоуль был одним из первых учёных, который обратил внимание на необходимость в условных единицах электричества, и он решительным образом рекомендовал создание таковых. Эта стандартизация была позже сделана под руководством Максвелла Британской Ассоциацией Развития Науки. В 1872 году Джоуль стал Президентом Британской Ассоциации и находился на этой должности до 1887 года. В знак признания огромного вклада Джоуля в изучение связи теплоты и механического движения, единица энергии (или работы) в физике была позже названа "Джоулем".

Эффект Джоуля-Томсона

В 1852 году Джоуль начал рабо...