Джеймс Джоуль: история упорства

0

В честь Джеймса Джоуля названа единица измерения энергии. Этот человек обнаружил связь между током, бегущим сквозь проводник с определенным сопротивлением, и выделяющимся при этом теплом, названный законом Джоуля.

Семья пивовара

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе исследований Джоуля, положил начало термодинамики. Несмотря на то, что Джоуль не первым предложил данный принцип, он стал первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа. Джоуль 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 явился основой первого закона термодинамики, который говорит о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но ее можно изменять из одной формы в другую. Знаменитый фантаст Айзек Азимов назвал это «важнейшим обобщением в истории науки».

Джеймс Прескотт Джоуль появился на свет 24 декабря 1818 года в Салфорде. Он был вторым из пяти детей в семье богатого владельца пивоваренного завода. В детстве будущий физик был слабым и стеснительным, у Джеймса обнаружились проблемы с позвоночником. Болезненный мальчик не мог бегать со сверстниками, а потому увлекся исследованием мира.

Обеспеченный папа дал сыну прекрасное домашнее образование – математике, химии и физике Джоуля обучал известный ученый Джон Дальтон. Джеймс благодарно признавал, что Дальтон сыграл главную роль в его решении заняться наукой: «Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований».
Когда заболел отец, Джеймс вместе с братом взялся за дела на пивоваренном заводе, вследствие чего у парня почти не было возможности посещать университет. И, невзирая на это, его самым заветным чаянием было продолжать осваивать науку – у себя дома он создал лабораторию, где начал проводить ежедневные эксперименты до и после работы. Джоуль так и не получил диплом, и это обстоятельство неоднократно мешало ему в будущем. Из-за слабого знания математики он не смог дать точное количественное обоснование открытых им законов.

Вначале Джоуль занялся изучением магнитных явлений. Исследуя поведение различных материалов, он заметил, что стержни, сделанные из некоторых металлов, например, железа или никеля, становятся длиннее, если их поместить в магнитное поле. Это явление получило название магнитострикции. Сейчас оно широко используется в технике, а во времена Джоуля многие ученые вообще сомневались в его существовании. Дело в том, что удлинение стержня было таким маленьким, что его могла уловить лишь очень чувствительная аппаратура. Но Джоуль разработал простую и наглядную методику измерений, позволявшую получить доказательные результаты.

Знакомство с Томсоном

В 1839 году Джеймс Джоуль провел ряд опытов, в которых изучил механическую работу, электричество, а также теплоту. На следующий год он послал свою работу «Об образовании теплоты с помощью Вольтовского (гальванического) электричества» в престижное лондонское Королевское научное общество.

В 1843 году ученый смог вычислить количество механической работы, необходимой для образования эквивалентного количества теплоты. Эта величина была названа «механическим эквивалентом теплоты». На этот раз он передал данные своих изысканий на рассмотрение Британской ассоциации развития науки. И снова его труд не вызвал никакой реакции, а ведущие научные журналы отказались опубликовать данные его новых исследований.

Но Джоуль упорно отстаивал свои позиции: его проблема была в том, что он непрофессионал в данной области. Его новые данные бросали радикальный вызов калорической теории (теплота – жидкое вещество), которой придерживались многие физики тех лет. В своих экспериментах Джоуль проявлял упорство и изобретательность: эти свойства его характера очень помогли ему избежать ошибок и получить гораздо более точные результаты, по сравнению с предыдущими опытами.
Потугам Джоуля относительно теплоты, электричества и механической работы не придавали значения до 1847 года. В июле в Оксфорде прошло собрание Британской ассоциации развития науки, там Джеймс наконец-то смог привлечь внимание некоторых присутствующих к своим открытиям. В 1885 году Джоуль так вспоминал произошедшее тогда: «Когда я снова поднял тему механического эквивалента тепла на конгрессе в Оксфорде в 1847 году, ведущий предложил, чтобы я, так как программа заседания очень плотная, не читал свою статью, а ограничился кратким словесным описанием своих экспериментов. Я попытался сделать это, и так как не было приглашения к дискуссии, сообщение прошло бы незамеченным, если бы не один молодой человек, который своими умными замечаниями вызвал оживленный интерес к новой теории. Этим молодым человеком был Уильям Томсон, который сейчас, возможно, является самым большим авторитетом в науке нашего времени».

Томсон был одним из пионеров современной физики, именно он оценил возраст Земли, конструировал морские компасы и принимал заметное участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Уильям Томсон входил в плеяду выдающихся английских физиков XIX века среди которых Джордж Фицджеральд, Джеймс Клерк Максвелл и Джордж Габриэль Стокс.

В 1882 году Томсон сам вспоминал свою встречу с Джоулем: «Я познакомился с Джоулем на конгрессе в Оксфорде, и у нас сразу завязалась дружба из тех, что длятся всю жизнь. Я услышал его выступление и почувствовал себя обязанным встать и сказать ему, что он ошибается, поскольку истинное механическое значение тепла должно быть, при маленьких разницах в температуре, пропорционально квадрату его количества. Я знал по закону Карно, что это именно так. Но по мере того как я слушал, я видел, что Джоуль действительно описывает великую истину и великое открытие. Следовательно, вместо того чтобы встать с возражением в течение заседания, я дождался его конца и сказал это Джоулю лично в конце собрания.

Затем мы долго разговаривали на эту тему. Я получил идеи, которые никогда до этого не приходили мне в голову, и также, думаю, предложил что-то, достойное рассмотрения Джоуля, рассказав ему о теории Карно. С тех пор мы стали друзьями. Статья Джоуля оказалась большой сенсацией. Фарадей был там, и она очень его впечатлила, хотя он полностью не осознал нового видения. И через совсем небольшое время Стокс сказал мне, что чувствует в себе стремление стать джоулитом».

«Эффект Джоуля-Томсона»

В том же 1947 году Джеймс Джоуль женился на Амалии Граймс. Пара отправилась в свадебное путешествие во Францию в Шамони, но и там Джоуль продолжал свои опыты, измеряя разность температур между дном и верхней точкой местного водопада. Брак Джоуля был счастливым, но недолгим: в 1854 году его постигла тяжелая утрата — от внезапной болезни умерла сначала его жена, а затем сын. Ученый был буквально раздавлен горем. На несколько лет он удалился в свое поместье и жил там практически в полном одиночестве. Лишь несколько друзей посещали его дом, не давая замкнуться в себе.

Со временем Джеймс Джоуль всецело посвятил себя науке. За семьдесят полных лет жизни он опубликовал без малого сотню научных работ, большая часть которых ныне признана классическими. 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.

С середины 50-х до начала 1860-х годов Джоуль совместно с Томсоном трудились над важными экспериментами для подтверждения отдельных предсказаний в термодинамике. Самые знаменитые опыты касались снижения температуры, связанного с расширением газа без выполнения внешней работы. Это охлаждение газов, которое происходит по мере их расширения, известно как «Эффект Джоуля-Томсона». Данный принцип лег в основу развития современной холодильной промышленности.

В процессе работы с Томсоном Джоуль взялся за практическую роль экспериментального исследования теоретических проблем, поднимаемых его коллегой: Джоуля интересовало достижение результатов, а не признание. Однако следует помнить, что Джоуль и сам уже ранее внёс огромный теоретический вклад. Как говорил Х. Стеффенс, описывая биографию Джоуля: «Несомненно, он был больше, чем “просто замечательный экспериментатор”. Его эксперименты отображали и придали форму его предположениям, а его предположения смело противостояли распространенным научным теориям и подразумевали новый, точный порядок во вселенной».
За годы Джеймс Джоуль показал необычайную ясность в донесении, исполнении, описании и объяснении собственных экспериментов. В отличие от многих, его черновики были понятны и разборчивы — то есть, их можно было публиковать без предварительных проверок.

В 1867 году к Джоулю обратилась Британская ассоциация содействия развитию науки. Ученому поручили провести особо точные измерения механического эквивалента теплоты. Опыты позволили уточнить принятый в то время механический эталон единицы теплоты. В результате проделанной работы во всем мире была принята новая единица теплоты, позже названная именем Джоуля.

Ученый вошел в число крупнейших английских физиков, благотворительные фонды наперебой предлагали ему денежную помощь, его приглашали преподавать в лучшие университеты. Однако здоровье продолжало ухудшаться. Из-за постоянной болезни горла он не мог преподавать. Кроме того, вскоре Джоуль начал слепнуть и почти полностью оглох. В 1878 году конкуренты разорили его, и отцовскую фабрику пришлось продать за долги. Джоуль остался практически без средств к существованию. Ученому с мировым именем было буквально не на что купить себе хлеба. К счастью, английским физикам удалось выхлопотать для него государственную пенсию. Но восстановить здоровье уже было нельзя. Джоуль почти перестал работать, а последние десять лет провел в своем доме прикованный к постели.

Умер он 11 октября 1889 года в английском городке Сейле (недалеко от Чешира). Похоронили его вовсе не в Вестминстерском аббатстве, как думают те, кто видел там памятник Джоулю в северном проходе хоров. Джоуль покоится на кладбище в Манчестере, и на надгробном памятнике выбито число 772,55. Это полученное в эксперименте 1878 года значение механического эквивалента тепла. Такую работу, выраженную в футо-фунтах, надо будет потратить, чтобы поднять температуру одного фунта воды с 60 до 61 градуса по Фаренгейту на уровне моря. В Манчестерской ратуше Джоулю поставили памятник. Мраморная скульптура работы Альфреда Гильберта стоит напротив памятника его учителю Джону Дальтону.

Подготовила Лина Лисицына,

по материалам KM.ru, FB.ru, Biography-peoples.ru, «Википедия»

Поделиться.

Комментарии закрыты