Джеймс прескотт джоуль - биография. Джеймс Джоуль: биография, научные открытия

24.09.2019

(24.12.1818 – 11.10.1889)

Реферат написал ИГОРЬ МОРОЗОВ 7 «А» кл.

Биография – просто и интересно!

ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ- выдающийся английский ученый.

Дж. Джоуль родился вблизи Манчестера в Англии в семье богатого владельца пивоваренного завода. Он получил домашнее образование. В течение трех лет его наставником был выдающийся химик Джон Дальтон. Именно Дальтон привил Джоулю любовь к науке и страсть к сбору и осмыслению численных данных, на которых основаны научные теории и законы.

К сожалению, математическая подготовка Джоуля была слабой, что в дальнейшем очень мешало ему в исследованиях и, возможно, не дало ему сделать еще более значительные открытия.

У Джоуля не было никакой профессии и никакой работы, кроме помощи в управлении заводом отца. Вплоть до 1854 г., когда завод наконец был продан, Джоуль работал на нем и урывками, по ночам, занимался своими опытами. После 1854 г. у Джоуля появились и время, и средства, чтобы построить в собственном доме физическую лабораторию и полностью посвятить себя экспериментальной физике.

Позднее Джоуль начал испытывать материальные затруднения и для продолжения исследований обратился за финансовой помощью к королеве Виктории.

В течение 1837-1847 гг. Джоуль все свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии – механической, электрической, химической, – в тепловую энергию.

Он разработал термометры, измерявшие температуру с точностью до одной двухсотой градуса, что позволило ему проводить измерения с наилучшей для того времени точностью.

В 1840 г. Джоуль формулирует закон, определяющий количество теплоты, выделяющейся в проводе при прохождении тока (известный сейчас как закон Джоуля).

В июне 1847 г. Джоуль представил доклад на собрании Британской ассоциации ученых, в котором он сообщил о наиболее точных измерениях механического эквивалента теплоты. На полусонных слушателей доклад не произвел никакого впечатления, пока молодой пылкий Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) не объяснил своим престарелым коллегам значение работы Джоуля. Доклад стал поворотным пунктом в его карьере.

В 1850 г. Джоуль был избран членом Лондонского королевского общества. Он стал одним из авторитетнейших ученых своего времени, обладателем многих титулов и наград.

Королева возвела его в рыцарское достоинство. Именем Джоуля была названа единица энергии.

Джоуль обладал выдающимися способностями физика-экспериментатора. Его страсть к науке была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии!

Джоуль верил, что природа устроена просто, и стремился найти простые соотношения между важными физическими величинами. Ему удалось найти два таких соотношения, которые навсегда сохранили его имя в науке.

Исследования Джоуля

Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем (закон Джоуля-Ленца). Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У него, Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что "электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло" Но источником электрического тока может служить также и "Электромагнитная машина". Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с гальваническим элементом включить магнитоэлектрическую машину (т. е. электродвигатель), как повлияет это на количество теплоты, выделяемой током в цепи?

Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе "Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты", опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку с железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита (рис. 63). Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению. Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз - генератора электрического тока.

Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что "теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению" и что "мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту". Наконец, Джоуль заставлял вращаться эту трубку в магнитном поле уже под действием падающих грузов. Измеряя количество теплоты, выделившееся в воде, и совершенную при опускании грузов работу, он подсчитал механический эквивалент теплоты, который оказался равным 460 кГм/ккал.

В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась в теплоту. Он измерил теплоту, выделяемую при продавливании воды через узкие трубки. При этом он получил, что механический эквивалент теплоты равен 423 кГм/ккал.

В дальнейшем Джоуль вновь возвращался к экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. В 1849 г. он проделал известный опыт по измерению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью (рис. 64). Измеряя совершенную грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. в Манчестере, он говорил:

"Вы видите, следовательно, что живая сила может быть превращена в теплоту и что теплота может превращаться в живую силу, или в притяжение на расстоянии. Все трое, следовательно, - именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу причислить свет) - взаимно превращаемы друг в друга. Причем при этих превращениях ничего не теряется".

Джеймс Джоуль - довольно известная личность. Все мы знаем это имя еще со школьных уроков физики. Однако тогда никто не углублялся в его биографию и достижения, а ведь его жизненный путь очень интересен. В статье мы рассмотрим подробную биографию ученого, а также поговорим о том, чего он достиг.

Детские годы

Джеймс Джоуль, биографию которого мы рассматриваем, появился на свет в 1818 году, 24 декабря. Мальчик родился в богатой семье хозяина пивоваренного завода, располагавшегося в Солфорде. Джеймс получал образование на дому. Первым его учителем по началам физики, химии и элементарной математики был Дальтон. С 15-летнего возраста мальчик работал на заводе отца и принимал непосредственное участие в управлении им. Эту деятельность он совмещал с обучением в течении года.

Первые исследования

Когда начал интересоваться наукой Джеймс Джоуль? Краткая биография парня рассказывает о том, что свои первые исследования он начал проводить в 1837 году. Тогда его очень интересовал вопрос замены паровых машин на электрические на пивоваренном заводе отца. Уже через год молодой человек опубликовал свою первую работу по электричеству в одном из научных журналов. Посоветовал ему это сделать его учитель Джон Дэвис, который, кстати, являлся близким другом Стерджена, изобретшего электродвигатель. Журнал, в котором печатался Джеймс Джоуль, тоже принадлежал Стерджену. В 1840 году молодой исследователь при намагничивании ферромагнетиков заметил эффект магнитного насыщения. С этого момента и вплоть до 1845 года активно изучал электромагнитные явления экспериментальным путем.

Закон Джоуля

Чем же занимается дальше Джоуль Джеймс Прескотт? Краткая биография мужчины продолжается тем, что в 1841 году он открывает закон о квадратичной зависимости между силой тока и теплом, которое выделяется. Позже закон получил его имя, но нам он известен как закон Джоуля - Ленца, потому что в 1842 году он был открыт физиком немецкого происхождения из России Эмилием Ленцем. По достоинству открытие ученого оценено не было. Лондонское королевское общество проигнорировало его, а саму работу удалось опубликовать в скромном периодическом журнале.

Работа лектором

Но кем же работал Джеймс Джоуль? Интересные факты про этого человека редкость, но известно, что он был лектором. Уже известный нам Стерджен переехал в Манчестер и открыл там Галерею практических знаний, куда и пригласил Джоуля на место лектора. Удивительно, некоторых студентов обучал сам Джеймс Джоуль!

В своих исследованиях того времени ученый много времени уделял вопросу об экономической выгоде электромагнитных двигателей. Сначала он считал, что электромагниты имеют огромные возможности, но вскоре лично убедился в том, что паровые машины куда эффективнее. Результаты этого исследования Джоуль опубликовал, не скрывая собственного разочарования.

Открытия ученого происходили очень быстро. Уже в 1842 году он описывает магнитострикцию, которая заключается в том, что тела меняют свои размеры и объемы при разной степени намагниченности. Через год он заканчивает исследования по поводу тепловыделения в проводниках и публикует свои результаты. Они заключались в том, что выделяемое тепло берется не извне. Это полностью опровергало теорию теплорода, приверженцы которой тогда еще существовали.

В период с 1843 по 1850 год мужчина занимается проведением ряда исследований, совершенствуя свою технику и подтверждая многими опытами верность принципа сохранения энергии.

Семья

В 1844 году Джоули меняют место жительства. На новом месте мужчина знакомится со свей будущей женой Амелией Граймс. В 1847 году пара сочетается браком, и у них рождается дочь и сын. В это же время в доме Джоуль оборудует себе удобную лабораторию для проведения опытов. Однако счастье его длилось недолго, потому что в 1854 году любимая жена умирает.

Общее описание исследований

К концу 1840-х годов работы героя нашей статьи получают всеобщее признание. В 1847 году ученый знакомится с Томсоном, который высоко оценивает экспериментальную технику Джоуля. Далее ученые начинают сотрудничать. Представления Томсона о молекулярно-кинетической теории сформировались во многом под влиянием идей Джеймса. Вместе ученые создают термодинамическую температурную шкалу.

Кажется, что Джеймс Джоуль и его открытия не стареют, ведь уже спустя год он предлагает использовать модель газа для анализа возникновения тепловых эффектов при повышении давления. Модель газа Джоуля состояла из упругих шариков микроскопического размера, которые создавали давление при касании стенок сосуда. Исследования ученого были опубликованы в «Философских трудах Королевского общества» по совету немецкого физика Клаузиуса. Эта работа оказала огромное влияние на становление и развитие термодинамики, несмотря на то, что позже в исследованиях Джоуля была найдено множество ошибок. Кроме того, эксперименты похожи на те, которые в 1870-х годах проводил Ван-дер-Ваальс для моделирования реального газа.

В 1850 году мужчина становится членом Лондонского королевского общества. В исследованиях, проведённых в 1851 году, которые касаются создания теоретической модели теплоты как движения маленьких упругих частиц, ученый очень точно рассчитал для некоторых газов теплоемкость. Через год вместе со своим старым другом Томсоном описывает явление изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании. Позже этот эффект получил название Джоуля - Томсона. Более того, это открытие поспособствовало возникновению нового раздела естествознания - физики низких температур.

В 1850-е годы исследователь публикует целую серию статей, посвященных электрическим измерениям. Несмотря на возможность использования современных конструкций, Джеймс Джоуль был уверен в том, что только путем эксперимента можно получить самые точные результаты.

В 1859 году ученый занимается исследованием термодинамических свойств твердых тел. Обнаруживает нестандартные свойства каучука в сравнении с другими материалами. Через год в сферу его интересов попадают миражи, атмосферные грозы и метеориты, которые он пытается объяснить с научной точки зрения.

Эквивалент тепла

С 1843 года ученый занимался поисками механического эквивалента тепла. Благодаря опытам ему удается показать, что определённое количество теплоты можно превратить в определенное количество механической силы. В этом же году он публикует результаты исследований, а уже через год формулирует закон теплоемкости для кристаллических тел, который известен как закон Джоуля - Коппа. Однако точную формулировку и опытное подтверждение своего закона Джоуль представил только в 1864 году.

После этого Джоуль Джеймс Прескотт, краткая биография которого изложена выше, посвящает себя исследованию тепловыделения при пропускании через узкие трубки жидкости. В период с 1847 по 1850 год ему удаётся вывести максимально точный механический эквивалент тепла. Он используется металлический калориметр, который устанавливает на деревянной скамейке. В этом опыте он исследовал количество теплоты, которые выделяется при вращении из-за трения оси. Некоторые оценки ученого очень близки к точным значениям, которые были найдены в прошлом веке.

Борьба за авторство

В 1840-х годах в печатных изданиях развернулась нешуточная дискуссия о том, кто же является открывателем закона сохранения энергии, между Майером и Джоулем. Фактически Майер опубликовал свою работу раньше, но к ней никто не отнесся серьезно, так как по профессии он сам был доктором. Закон Джеймса Джоуля нашел большую поддержку, ведь его кандидатуру на то время поддерживали такие ученые, как Стокс, Фарадей и Томсон. Некоторые открыто поддерживали Майера, акцентируя внимание на том, что он первый сделал открытие, другие же защищали право на авторство Джоуля. В конце концов приоритет авторства оставили Майеру.

Память

Физик Джеймс Прескотт Джоуль награжден Королевской медалью. В 1860 году стал президентом Манчестерского литературного и философского общества. Кроме того, имеет научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа, доктора права в Эдинбургском университете и доктора гражданского права в Оксфордском университете. В 1866 году получил медаль Копли, а в 1880 году сталь обладателем медали Альберта. Через 8 лет правительство назначило ему пожизненную пенсию. Джоуль дважды становился президентом Британской научной ассоциации.

В 1889 году его именем была названа единица измерения количества теплоты, энергии, работы. В ратуше Манчестера есть памятник ученому, который расположен напротив памятника Дальтону.

Джеймс Прескотт Джоуль (James Prescott Joule) родился на северо-западе Англии в городке Солфорд, что неподалеку от Манчестера, 24 декабря 1818 года. Семья Джоулей была достаточно обеспеченной – отец держал собственный пивоваренный завод. Это позволило Джеймсу получить качественное образование на дому.

Его первым учителем был Джон Дальтон – известный ученый, изучавший физику, химию и естественные науки. Он внес неоценимый вклад в научное будущее Джеймса, привив ему интерес к сбору численных данных и их логическому осмыслению. Немного не доставало мальчику лишь занятий в области математики, которые ограничивались элементарными основами. Это вызвало трудности при дальнейшей научной работе Джоуля, тем не менее, решающей роли не сыграло.

С юного возраста, в свободное от обучения время, Джеймс работает на отцовском заводе. С помощью Дальтона, он уже в 19 лет начинает свои первые научные исследования и вскоре заменяет все паровые машины пивоварни на более выгодные электрические аналоги.

Спустя год его статью публикуют в известном журнале «Annals of Electricity». В ней юный ученый описывает конструкцию и принцип работы электромагнитного двигателя. Это было лишь началом работы Джоуля в области электромагнетизма. В 1840 году, проводя исследования на ферромагнетиках, он открывает эффект магнитного насыщения, а в 1842 обнаруживает явление магнитострикции.

Одним из вдохновителей Джоуля был Майкл Фарадей и его работы о взаимодействии магнетизма и электротока. Проводя постоянные физические эксперименты в этой области, ученый приходит к одному из основных достижений своей научной карьеры – устанавливает зависимость между силой тока и выделяемой им теплотой. Согласно исследованиям Джоуля, теплота, которая выделяется в проводнике, пропорциональна его сопротивлению и квадратичной силе тока, через него проходящего.

Первое упоминание этой взаимосвязи Джоулем датируется 1841 годом, тем не менее, у этого утверждения есть и второй признанный автор – русский ученый Ленц, пришедший к схожим выводам в 1842 году. На сегодняшний день закон носит имя Джоуля-Ленца.

В 1843 году Джоуль решает развить мысль, высказанную Юлиусом Майером, о существовании взаимосвязи между выполненной механической работой и количеством выделенного при этом тепла. Для этого в колбу с водой он помещал электромагнит, который вращался под давлением грузила, при том, что сам сосуд находился в магнитном поле. Таким образом, Джоуль показывает, что теория теплорода неверна и тепло выделяется во время работы, а не из окружающего пространства. Ученому удалось вывести численное соотношение, которое известно в современной физике, как механический эквивалент тепла, равный 4,2 Дж/кал.

Описание данного эксперимента и его научную значимость Джоуль изложил в статье "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла".

Следующие несколько лет ученый продолжал исследовать выделение тепла при различных механических действиях (пропускании воды через узкие отверстия, сжатии газа и т.д). Чтобы иметь возможность проводить свои эксперименты, в 1844 году Джеймс вместе с семьей переехал в Манчестер. Они поселились в большом доме, недалеко от центра города, где для ученого была оборудована лаборатория. Там Джоуль и открыл свой знаменитый закон сохранения энергии, за который в дальнейшем его имя увековечат в качестве единицы измерения.

В 1847 году ученый знакомится с Уильямом Томсоном. Он начинает с ним совместные исследования, результатом которых стал закон Джоуля-Томсона, который используют для сжижения газов. Также двум великим ученым удается создать термодинамическую шкалу.

С помощью Томсона, работы Джоуля наконец-то привлекают внимание мирового научного сообщества, которое долгое время игнорировало талантливого физика. Он выступает с докладом на заседании в Оксфорде и производит впечатление на Британскую ассоциацию ученых.

В этом же году Джоуль женится на Амелии Граймс, в браке у них родилось двое детей.

В 1850 году Джоуля приняли в ряды Лондонского королевского общества.

1854 год стал поворотным в судьбе английского ученого. В это время умирает его жена, он продает родительскую пивоварню и с головой уходит в науку. На вырученные деньги он оборудовал себе современную лабораторию, где проводил большинство своего свободного времени. В период с 1854 по 1889 год он издал 97 научных работ, посвященных классической и молекулярной физике, акустике, теории тепла и газов.

В 1866 году ему вручили его первую награду – медаль Копли, а в 1880 и вторую – медаль Альберта.

В 1870х годах ученый стал доктором права в Эдинбургском и Лейденском университетах, получил две медали от Королевского общества, а от самой королевы Англии – рыцарское звание. В 1872 году его выбрали президентом Британской ассоциации, а позже, в 1877 – перевыбрали и на второй срок. С 1878 года Джоуль получал почетную ежемесячную пенсию в размере 215 фунтов.

Умер ученый 11 октября 1889 года в городе Сейл, вблизи Манчестера. Незадолго до смерти он выпустил двухтомный сборник со своими научными записями «Scientific papers by J. P. Joule», который содержит описание его гениальных физических опытов. Многие из них стали неотъемлемой частью современной физики.

Главная особенность научной деятельности Джоуля – это простота его экспериментов. При этом все они отличались удивительной точностью и наглядностью. Ученый был твердо убежден, что мир устроен значительно проще, чем нам кажется, и все вещи в нем взаимодействуют между собой. Нахождение подобных взаимодействий и было основным направлением всех его исследований.

В городской ратуше Манчестера в честь ученого установлен памятник, сразу напротив памятника его учителю – Дальтону.

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Англия, Великобритания - 11 октября 1889, Сэйл, Чешир, Англия, Великобритания) - английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.

Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой, в результате практически одновременно с Майером пришёл к концепции всеобщего сохранения энергии, что, в свою очередь, обеспечило формулировку первого закона термодинамики. Работал с Томсоном над абсолютной шкалой температуры, описал явление магнитострикции, открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля - Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов.

В честь Джоуля названа единица измерения энергии - джоуль.

Биография

Родился в семье зажиточного владельца пивоваренного завода в Солфорде близ Манчестера, получил домашнее образование, притом в течение нескольких лет его учителем по элементарной математике, началам химии и физики был Дальтон. С 1833 года (с 15 лет) работал на пивоваренном заводе, и, параллельно с обучением (до 16 лет) и занятиями наукой до 1854 года участвовал в управлении предприятием, пока оно не было продано.

Первые экспериментальные исследования начал уже в 1837 году, заинтересовавшись возможностью замены паровых машин на пивоварне на электрические. В 1838 году по рекомендации одного из своих учителей Дэвиса (англ. John Davies), близким другом которого был изобретатель электродвигателя Стёрджен, опубликовал первую работу по электричеству в научном журнале Annals of Electricity, организованном за год до этого Стёрдженом, работа была посвящена устройству электромагнитного двигателя. В 1840 году обнаружил эффект магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков, и в течение 1840-1845 годов экспериментально изучает электромагнитные явления.

Изыскивая лучшие способы измерения электрических токов, Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, устанавливающий квадратичную зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике количеством теплоты (в русской литературе фигурирует как закон Джоуля - Ленца, так как 1842 году независимо этот закон был открыт российским физиком Ленцем). Открытие не было оценено Лондонским королевским обществом, и работу удалось опубликовать лишь в периодическом журнале Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

В 1840 году в Манчестер переезжает Стёрджен и возглавляет Галерею практических знаний (англ. Royal Victoria Gallery for the Encouragement of Practical Science) - коммерческое выставочно-образовательное учреждение, куда в 1841 году приглашает Джоуля как первого лектора.

В работах начала 1840-х годов исследовал вопрос экономической целесообразности электромагнитных двигателей, поначалу полагая, что электромагниты могут быть источником неограниченного количества механической работы, но вскоре убедился, что с практической точки зрения паровые машины того времени были эффективнее, опубликовав в 1841 году выводы, что эффективность «идеального» электромагнитного двигателя на 1 фунт цинка (используемого в аккумуляторах) составляет всего лишь 20 % от эффективности парового на 1 фунт сжигаемого угля, не скрывая при этом разочарования.

В 1842 году обнаруживает и описывает явление магнитострикции, заключающееся в изменении размеров и объёма тела при изменении его состояния намагниченности. В 1843 году формулирует и публикует окончательные результаты работ по исследованию тепловыделения в проводниках, в частности, экспериментально показывает, что выделяемое тепло никоим образом не забирается из окружения, что бесповоротно опровергало теорию теплорода, сторонники которой всё ещё оставались в то время. В том же году заинтересовался общей проблемой количественного соотношения между различными силами, приводящими к выделению теплоты, и, придя к убеждению в существовании предсказанной Майером (1842) определённой зависимости между работой и количеством теплоты, ищет численное соотношение между этими величинами - механический эквивалент тепла. В течение 1843-1850 годов проводит серию экспериментов, непрерывно совершенствуя экспериментальную технику и каждый раз подтверждая принцип сохранения энергии количественными результатами.