Джеймс Джаул

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Джеймс Джаул
Joule James sitting.jpg
английски физик
Роден 24 декември 1818
Солфорд, Великобритания
Починал 11 октомври 1889
Сейл, Великобритания
Местожителство Англия
Гражданство английско
Националност англичанин
Професия физик
Известен с първи закон на термодинамиката
Повлиял Джон Далтон
Рисунка на уреда, с който Джаул измерва механичния еквивалент на топлината
Части на уреда, с който Джаул измерва механичния еквивалент на топлината
Статуя на Джеймс Джаул в сградата на общината в Манчестър

Джеймс Прескът Джаул (на английски: James Prescott Joule [1]) е английски физик. Той установява, че няколко различни вида енергия (механична, електрическа, топлинна) могат да бъдат преобразувани една в друга, като по този начин създава предпоставки за формулирането на Закона за запазване на енергията. През 1840 година Джаул открива връзката между електрическия ток, протичащ през резистор, и отделяната топлина (Закон на Джаул), а по-късно, независимо от Юлиус Роберт фон Майер, открива връзката на топлината с механичната работа.

Биография[редактиране | edit source]

Ранни години[редактиране | edit source]

Джеймс Джаул е роден на 24 декември 1818 г. в Солфорд, предградие на Манчестър. Той е син на Бенджамин Джаул, собственик на сравнително голяма пивоварна фабрика. Първоначалното си образование получава от частни учители, а от 1834 година учи при Джон Далтон в Манчестърското литературно и философско дружество. Две години по-късно Далтон получава удар и се оттегля, но въпреки това оказва значително влияние, както и сътрудниците му Уилям Хенри, Питър Юарт и Итън Ходжкинсън, върху младия Джаул. През следващите години Джеймс Джаул учи при манчестърския учител Джон Дейвис и започва да се интересува от електричеството. След като завършва образованието си, се включва в ръководството на семейната пивоварна и участва активно в работата до 1854 година, когато предприятието е продадено.[2] През целия си живот Джаул има значителни собствени доходи, с които финансира и научните си занимания.[3]

Електричество[редактиране | edit source]

Първоначално Джаул се занимава с наука като хоби, но още докато работи в пивоварната започва да проучва възможностите да замени парните машини във фабриката с новооткритите електромотори. През 1838 година прави първата си научна публикация в списанието „Анълс ъф Електрисити“, издавано от Уилям Стърджън. През 1840 година открива Закона на Джаул.[4] и се опитва да го представи пред Кралското дружество, но е приет там като провинциален дилетант. През същата година Стърджън се премества в Манчестър и двамата с Джаул се превръщат в ядрото на кръг от интелектуалци в града. Те споделят възгледа, че науката и теологията трябва да бъдат обединени, като Джаул започва да чете лекции в създадената от Стърджън Кралска викторианска галерия за практически науки. Повлиян от Франц Епинус, той се опитва да обясни електрическите и магнитните явления с концепцията за атоми, заобиколени от „калоричен етер в състояние на вибриране“.[2]

През 1843 година Джаул публикува експериментални резултати, според които установеният от него ефект на нагряване на електропроводниците се дължи на генериране на топлина в самия проводник, а не на пренос на топлина от друга част на опитното устройство.[5] С това той пряко се противопоставя на преобладаващата дотогава калорична теория, според която топлината е особена субстанция, която не може да се появява и изчезва.[2]

По това време Джаул прави първи опити да съпостави количествено работата на парния и електрическия двигател и установява, че при изгарянето на фунт въглища в парна машина се извършва пет пъти повече работа, отколкото при изразходването на фунт цинк в клетка на Гроув, примитивна батерия, известна по това време.[6] За тази цел той дефинира единица за извършвана работа, която е равна на способността да се издигне един фунт на височина един фут. Това е една от първите дефиниции на единица за измерване на работа, поради което на Джеймс Джаул е наречена единицата за работа в Международната система единици (джаул).

Термодинамика[редактиране | edit source]

С времето интересът на Джеймс Джаул се измества от чисто практическия проблем към по-общи разсъждения за превратимостта на енергията. Той се насочва към търсене на механичен еквивалент на топлината и установява, че за повишаването на температурата на 1 фунт вода с 1 градус Фаренхайт е необходимо да се приложи 838 ft·lbf механична работа. Тази стойност се равнява на 4,51 J/cal, сравнително близка до съвременните измервания - 4,1860 J/cal.[7]

Джаул обявява своите резултати на среща на химическата секция на Британската асоциация за напредък на науката в Корк през 1843 година, но изявлението му е посрещнато с мълчание. Той упорито продължава да търси чисто механична демонстрация на преобразуването на работа в топлина. Прокарвайки вода през перфориран цилиндър, той успява за измери лекото вискозно нагряване на течността, като получава механичен еквивалент от 4,14 J/cal. Фактът, че стойностите, получени по електрически и по чисто механичен път, съвпадат поне в първия знак, за Джаул е убедително свидетелство за обратимостта на работа в топлина.

След това Джеймс Джаул опитва да докаже тезата си по трети начин. Той измерва генерираната топлина при прилагане на работа за свиване на газ и получава механичен еквивалент от 4,43 J/cal.[8] Предложението за публикуване на резултатите от изследването е отхвърлено от Кралското дружество и той е принуден да се задоволи с публикация във „Филъсофикал Мегазин“, в която пряко се противопоставя на калоричната теория. През 1845 година Джаул представя своето изследване „За механичния еквивалент на топлината“ („On the mechanical equivalent of heat“) на среща на Британската асоциация за напредък на науката в Кеймбридж.[9]. В него той описва най-известния си опит - падаща тежест завърта водно колело в изолирана бъчва с вода, нарастването на чиято температура се измерва. Този път той изчислява механичния еквивалент на 4,41 J/cal. През 1850 година публикува ново прецизирано измерване от 4,159 J/cal, близко до съвременните оценки.[10]

Обществено признание[редактиране | edit source]

Първоначално работите на Джеймс Джаул не се приемат от научната общност, тъй като резултатите му зависят силно от точността на измерванията, а той твърди, че измерва температурите с необичайната за това време точност от 1/200 от градус Фаренхайт. Едва през 1847 година Херман фон Хелмхолц, формулирайки Закона за запазване на енергията, отчита приноса на Джаул и Роберт фон Майер за определяне на механичния еквивалент на топлината.

През същата година Джаул се запознава с Джордж Гейбриъл Стоукс, Майкъл Фарадей и Уилям Томсън. Макар Томсън да е скептичен към теорията за превратимост на топлината в работа, той постепенно се убеждава в правотата на Джаул. Между 1852 и 1856 година двамата водят оживена кореспонденция, като Джаул провежда експерименти, а Томсън анализира резултатите. Така се стига до откриването на ефекта на Джаул-Томсън, създаването на абсолютната температурна скала и по-широкото приемане на теорията на Джаул.

През 1850 година Джеймс Джаул е приет за член на Кралското дружество, през 1860 година става председател на Манчестърското литературно и философско дружество, а през 1872 година - на Британската асоциация за напредък на науката.

Джеймс Джаул умира на 11 октомври 1889 година в дома си в Сейл, предградие на Манчестър,[11] и е погребан в местното гробище Брукландс.

Религиозни и политически възгледи[редактиране | edit source]

Джеймс Джаул е сравнително религиозен, като самият той сочи религията като един от основните мотиви за научната си работа и разглежда природните закони като изражение на божествения разум. В политиката Джаул е привърженик на консерваторите, като често се изказва крайно неодобрително за лидерите на Либералната партия. Например, в свое писмо до Джон Тиндал той пише за Уилям Гладстон: „Потомството ще го оцени като най-лошият "държавник", който Англия някога е имала.“[12]

Бележки и източници[редактиране | edit source]

  1. Фамилното име се произнася като Джуул (ˈdʒuːl), но в българския език се е наложила неточната транскрипция Джаул.
  2. а б в Smith (2004)
  3. Cropper, William H.. Great Physicists: the life and times of leadingphysicists from Galileo to Hawking. New York, Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-513748-5. с. 68-69.
  4. Joule, J.P. (1841) "On the heat evolved by metallic conductors of electricity" Philosophical Magazine, 19, 260; Scientific Papers 65
  5. Joule, J.P. (1843) Philosophical Magazine, 23, 263; Scientific Papers 123
  6. Smith (1998) p.60
  7. M.W. Zemansky (1968) Heat and Thermodynamics, 5th ed., p. 86.
  8. Joule, J.P. (1845) "On the rarefaction and condensation of air" Philosophical Magazine, Scientific Papers 172
  9. Joule, J.P. (1845) "On the Mechanical Equivalent of Heat", Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect, p.31
  10. Joule, J.P (1950) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol.140, Part 1, pp61-82
  11. GRO Register of Deaths: DEC 1889 8a 121 ALTRINCHAM - James Prescott Joule
  12. Cropper, William H.. Great Physicists: the life and times of leadingphysicists from Galileo to Hawking. New York, Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-513748-5. с. 67-70.