Джеймс Прескотт Джоуль – видатний англійський фізик
На честь Джеймса Джоуля названа одиниця вимірювання енергії. Ця людина виявила зв`язок між струмом, що біжить крізь провідник з певним опором, і виділеним при цьому теплом. Але це лише одне з багатьох досліджень видатного англійського фізика Джеймса Прескотта Джоуля, котре увіковічнило його в історії науки.
Принцип збереження енергії, що лежить в основі досліджень Джоуля, поклав початок термодинаміки. Незважаючи на те, що Джоуль не першим запропонував даний принцип, він став першим, хто продемонстрував обґрунтованість цього правила. Джоуль показав, що «робота може перетворюватися в теплоту з чітким співвідношенням роботи до теплоти, і що теплоту можна назад перетворити в роботу». Принцип збереження енергії Джоуля став основою першого закону термодинаміки, який говорить про те, що енергію не можна ні створити, ні знищити, але її можна змінювати з однієї форми в іншу. Знаменитий фантаст Айзек Азімов назвав це «найважливішим узагальненням в історії науки».
Джеймс Прескотт Джоуль з`явився на світ 24 грудня 1818 року у Солфорді. Він був другим з п`яти дітей в родині багатого власника пивоварного заводу. У дитинстві майбутній фізик був слабким і сором`язливим, у Джеймса виявилися проблеми з хребтом. Хворобливий хлопчик не міг бігати з однолітками, а тому захопився дослідженням світу.
Забезпечений тато дав синові прекрасну домашню освіту – математики, хімії та фізики Джоуля навчав відомий вчений Джон Дальтон. Джеймс вдячно визнавав, що Дальтон зіграв головну роль в його рішенні зайнятися наукою: «Саме в результаті його викладання у мене з`явилося бажання збільшити запас моїх знань за допомогою оригінальних досліджень».
Джоуль пивовар
Коли захворів батько, Джеймс разом з братом узявся за справи на пивоварному заводі, внаслідок чого у хлопця майже не було можливості відвідувати університет. І, незважаючи на це, його найпотаємнішим сподіванням було продовжувати освоювати науку – у себе вдома він створив лабораторію, де почав проводити щоденні експерименти до і після роботи. Джоуль так і не отримав диплом, і ця обставина неодноразово заважала йому в майбутньому. Через слабке знання математики він не зміг дати точне кількісне обґрунтування відкритих ним законів.
Спочатку Джоуль зайнявся вивченням магнітних явищ. Досліджуючи поведінку різних матеріалів, він зауважив, що стрижні, виготовлені з деяких металів, наприклад, заліза або нікелю, стають довшими, якщо їх помістити в магнітне поле. Це явище отримало назву магнітострикції. Зараз воно широко використовується в техніці, а за часів Джоуля багато вчених взагалі сумнівалися в його існуванні. Справа в тому, що подовження стрижня було таким маленьким, що його могла вловити лише дуже чутлива апаратура. Але Джоуль розробив просту і наочну методику вимірювань, яка дозволяла отримати доказові результати.
Знайомство з Томсоном
У 1839 році Джеймс Джоуль провів ряд дослідів, в яких вивчив механічну роботу, електрику, а також теплоту. На наступний рік він послав свою роботу «Про освіту теплоти за допомогою Вольтовскої (гальванічної) електрики» в престижне лондонське Королівське наукове товариство.
У 1843 році вчений зміг обчислити кількість механічної роботи, необхідної для утворення еквівалентної кількості теплоти. Ця величина була названа «механічним еквівалентом теплоти». На цей раз він передав дані своїх досліджень на розгляд Британської асоціації розвитку науки. І знову його праця не викликала жодної реакції, а провідні наукові журнали відмовилися опублікувати дані його нових досліджень.
Але Джоуль наполегливо відстоював свої позиції: його проблема була в тому, що він непрофесіонал в даній області. Його нові дані кидали радикальний виклик калоричній теорії (теплота – рідка речовина), якої дотримувалися багато фізиків тих років. У своїх експериментах Джоуль проявляв наполегливість і винахідливість: ці властивості його характеру дуже допомогли йому уникнути помилок і отримати набагато більш точні результати, в порівнянні з попередніми дослідами.
Потугам Джоуля щодо теплоти, електрики і механічної роботи не надавали значення до 1847 року. У липні в Оксфорді відбулися збори Британської асоціації розвитку науки, там Джеймс нарешті зміг привернути увагу деяких присутніх до своїх відкриттів. У 1885 році Джоуль так згадував цю подію: «Коли я знову підняв тему механічного еквівалента тепла на конгресі в Оксфорді в 1847 році, ведучий запропонував, щоб я, так як програма засідання дуже щільна, не читав свою статтю, а обмежився коротким словесним описом своїх експериментів. Я спробував зробити це, і так як не було запрошення до дискусії, повідомлення пройшло б непоміченим, якби не один молодий чоловік, який своїми розумними зауваженнями викликав жвавий інтерес до нової теорії. Цим молодим чоловіком був Вільям Томсон, який зараз, можливо, є найбільшим авторитетом в науці нашого часу».
Томсон був одним з піонерів сучасної фізики, саме він оцінив вік Землі, конструював морські компаси та брав помітну участь у прокладанні першого трансатлантичного телеграфного кабелю. Вільям Томсон входив в плеяду видатних англійських фізиків XIX століття серед яких Джордж Френсіс Фіцджеральд, Джеймс Клерк Максвелл і Джордж Габрієль Стокс.
У 1882 році Томсон сам згадував свою зустріч із Джоулем: «Я познайомився з Джоулем на конгресі в Оксфорді, і у нас відразу зав`язалася дружба на подобу тим, які тривають все життя. Я почув його виступ і відчув себе зобов`язаним встати і сказати йому, що він помиляється, оскільки справжнє механічне значення тепла повинно бути, при маленькій різниці в температурі, пропорційна квадрату його кількості. Я знав по закону Карно, що це саме так. Але в міру того як я слухав, я бачив, що Джоуль дійсно описує велику істину і велике відкриття. Отже, замість того щоб встати з запереченням протягом засідання, я дочекався його кінця і сказав це Джоулю особисто в кінці зборів.
Потім ми довго розмовляли на цю тему. Я отримав ідеї, які ніколи до цього не приходили мені в голову, і також, думаю, запропонував щось гідне розгляду Джоуля, розповівши йому про теорію Карно. З тих пір ми стали друзями. Стаття Джоуля виявилася великою сенсацією. Фарадей був там, і вона дуже його вразила, хоча він повністю не усвідомив нового бачення.».
«Ефект Джоуля-Томсона»
У тому ж 1947 р. Джеймс Джоуль одружився на Амалії Граймс. Пара відправилася у весільну подорож до Франції в Шамоні, але і там Джоуль продовжував свої досліди, вимірюючи різницю температур між дном і верхньою точкою місцевого водоспаду. Шлюб Джоуля був щасливим, але недовгим: в 1854 році його спіткала важка втрата – від раптової хвороби померла спочатку його дружина, а потім і син. Вчений був буквально роздавлений горем. На кілька років він віддалився в свій маєток і жив там практично в повній самоті. Лише кілька друзів відвідували його будинок, не даючи замкнутися в собі.
Згодом Джеймс Джоуль цілком присвятив себе науці. За сімдесят повних років життя він опублікував без малого сотню наукових робіт, більшість яких нині визнана класичними. У 1849 році, на слуханні Королівського наукового товариства Джоуль прочитав свою роботу під назвою «Про механічний еквівалент теплоти» разом з Фарадеєм, який був його поручителем. У наступному році Королівське наукове товариство опублікувало матеріали Джоуля і він був обраний членом цього престижного суспільства.
З середини 50-х до початку 1860-х років Джоуль спільно з Томсоном працювали над важливими експериментами для підтвердження окремих прогнозів в термодинаміки. Найзнаменитіші досліди стосувалися зниження температури, пов`язаного з розширенням газу без виконання зовнішньої роботи. Це охолодження газів, яке відбувається у міру їх розширення, відоме як «Ефект Джоуля-Томсона». Даний принцип ліг в основу розвитку сучасної холодильної промисловості.
У процесі роботи з Томсоном Джоуль взявся за практичну роль експериментального дослідження теоретичних проблем, що порушувалися його колегою: Джоуля цікавило досягнення результатів, а не визнання. Однак слід пам`ятати, що Джоуль і сам уже раніше вніс величезний теоретичний вклад. Як казав Х. Стеффенс, описуючи біографію Джоуля: «Безсумнівно, він був більше, ніж просто чудовий експериментатор». Його досліди відображали і додавали форми його припущеннями, а його припущення сміливо протистояли поширеним науковими теоріями і створювали новий, точний порядок у всесвіті».
За роки Джеймс Джоуль показав надзвичайну ясність в донесенні, виконанні, описі і поясненні власних експериментів. На відміну від багатьох, його чернетки були зрозумілі і розбірливі – тобто, їх можна було публікувати без попередніх перевірок.
У 1867 році до Джоуля звернулася Британська асоціація сприяння розвитку науки. Вченому доручили провести особливо точні вимірювання механічного еквівалента теплоти. Досліди дозволили уточнити прийнятий в той час механічний еталон одиниці теплоти. В результаті вжитих заходів в усьому світі була прийнята нова одиниця теплоти, пізніше названа ім`ям Джоуля.
Вчений увійшов в число найбільших англійських фізиків, благодійні фонди навперебій пропонували йому грошову допомогу, його запрошували викладати в кращі університети. Однак здоров`я продовжувало погіршуватися. Через постійну хвороби горла він не міг викладати. Крім того, незабаром Джоуль почав сліпнути і майже повністю оглух. У 1878 році конкуренти розорили його, батьківську фабрику довелося продати за борги. Джоуль залишився практично без засобів до існування. Вченому зі світовим ім`ям було буквально нема за що купити собі хліба. На щастя, англійським фізикам вдалося виклопотати для нього державну пенсію. Але відновити здоров`я вже було не можливо. Джоуль майже перестав працювати, а останні десять років провів у своєму будинку прикутий до ліжка.
Помер він 11 жовтня 1889 року в англійському містечку Сейлем. Поховали його зовсім не в Вестмінстерському абатстві, як думають ті, хто бачив там пам`ятник. Джоуль покоїться на кладовищі в Манчестері, і на надгробному пам`ятнику вибито число 772, 55. Це отримане в експерименті 1878 року значення механічного еквівалента тепла. Таку роботу, виражену в футо-фунтах (1 футо-фунт = 1, 3558 Дж), треба буде витратити, щоб підняти температуру одного фунта води з 60 до 61 градуса за Фаренгейтом на рівні моря. У Манчестерскій ратуші фізику поставили пам`ятник. Мармурова скульптура роботи Альфреда Гільберта стоїть навпроти пам`ятника його вчителя Джона Дальтона.