Portrete de personalități din istoria bulgară și mondială.

echivalentul mecanic

născut: 24 decembrie 1818 în Salford, Marea Britanie

a murit: 11 octombrie 1889 la Sale, Marea Britanie, la vârsta de 70 de ani.

  • domeniu: fizică, termodinamică
  • a studiat cu: John Dalton
  • Faimos cu:
    • prima lege a termodinamicii
    • respingerea teoriei calorice
    • Efect Joule-Lenz
  • influențat de: John Dalton, William Henry, Peter Yuart, Ethan Hodgkinson

  • soție: Amelia Grimes (n. 1847-1854)
  • copii:
    • Benjamin Arthur
    • Henry James
    • Alice Amelia

  • Medalia Regală (1852)
  • Medalia Copley (1870)
  • Medalia Albert (1880)

James Prescott Joule (în engleză: James Prescott Joule) este un fizician englez. El a descoperit că mai multe tipuri diferite de energie (mecanică, electrică, termică) pot fi convertite între ele, creând astfel condițiile prealabile pentru formularea Legii privind conservarea energiei. În 1840, Joule a descoperit legătura dintre curentul electric care curge printr-un rezistor și căldura degajată (efect Joule-Lenz), iar mai târziu, independent de Julius Robert von Meyer, a descoperit legătura dintre căldură și munca mecanică.

Biografie

S-a născut la 24 decembrie 1818 în Salford, o suburbie din Manchester, Marea Britanie, fiul lui Benjamin Joule, proprietar al unei fabrici de bere relativ mari. Are un frate mai mare, două surori mai mici, dintre care una a murit când avea doar 14 ani și un frate mai mic. James este cel mai apropiat de fratele său mai mare Benjamin, cu care a studiat și și-a petrecut o mare parte din copilărie.

James a primit educația primară de la profesori privați, în principal din cauza bolii sale. Are probleme cu coloana vertebrală și este tratat, starea sa se îmbunătățește oarecum, dar de-a lungul vieții rămâne cocoșat, ceea ce îi afectează caracterul și contribuie la timiditatea sa.

Din 1834 a studiat cu John Dalton la Manchester Literary and Philosophical Society. La fel ca Dalton, Joule a fost un susținător ferm al teoriei atomice, în timp ce mulți oameni de știință din acea perioadă au rămas sceptici cu privire la aceasta. Doi ani mai târziu, Dalton a primit o lovitură și s-a retras, dar a avut totuși o influență semnificativă, la fel ca și colaboratorii săi William Henry, Peter Yuart și Ethan Hodgkinson, asupra tânărului Joule. În anii următori, James Joule a studiat cu profesorul din Manchester John Davis și a devenit interesat de electricitate, în timp ce el și fratele său experimentau, provocându-se șocuri electrice unul altuia și servitorilor din casa lor.

După absolvire, s-a implicat în conducerea fabricii de bere a familiei și a participat activ la lucrări până în 1854, când întreprinderea a fost vândută. De-a lungul vieții, Joule are un venit semnificativ propriu, cu care își finanțează activitățile de cercetare.

La 18 august 1847, Joule s-a căsătorit cu Amelia Grimes, fiica unui vameș din Liverpool, care avea un fiu și o fiică, dar Amelia a murit în 1854 la naștere.

James Joule a murit la 11 octombrie 1889, la casa sa din Sale, o suburbie din Manchester, la vârsta de 70 de ani. Este înmormântat în cimitirul local Brooklands.

Piatra sa funerară poartă numărul „772,55”, măsurarea finală din 1878 a echivalentului mecanic al căldurii, în care a constatat că această cantitate de kilograme de muncă trebuia aplicată la nivelul mării pentru a crește temperatura. Pe kilogram de apă din 60 - 61 grade Fahrenheit. Monumentul are, de asemenea, un citat din Evanghelia după Ioan:

Trebuie să fac lucrările Celui care m-a trimis, cât este ziua; vine o noapte când nimeni nu poate lucra.

Activitatea științifică

Inițial, Joule a fost implicat în știință ca hobby, dar în timp ce lucra în fabrica de bere a început să exploreze posibilitatea înlocuirii motoarelor cu abur din fabrică cu motoarele electrice nou descoperite. În 1838 a realizat prima sa publicație științifică în Annals of Electricity, publicată de William Sturgeon.

Motivat parțial de dorința sa de a evalua efectele economice ale unui astfel de înlocuitor, el se concentrează pe măsurători pentru a determina care sursă de energie este mai eficientă. Astfel, în 1841 a descoperit

Legea lui Joule: căldura dezvoltată prin acțiunea directă a fiecărui volt curent este proporțională cu pătratul magnitudinii curentului înmulțit cu rezistența conductorului.

El concluzionează că arderea unei kilograme de cărbune este mai economică decât cheltuirea unei kilograme de zinc scump într-o baterie electrică.

Joule a încercat să prezinte rezultatele sale Societății Regale, dar a fost acceptat acolo ca amator de provincie. În același an, Sturgeon s-a mutat la Manchester și el și Joule au devenit nucleul unui cerc de intelectuali din oraș. Au împărtășit opinia că știința și teologia ar trebui combinate, cu Joule ținând conferințe la Royal Victorian Gallery of Practical Science, fondată de Sturgeon. Influențat de Franz Epinus, el încearcă să explice fenomenele electrice și magnetice cu conceptul de atomi înconjurați de un „eter caloric în stare de vibrație”.

În acest moment, Joule a devenit interesat de cantitatea de muncă care putea fi extrasă din diverse surse, ceea ce l-a condus la ideea conversiei energiei. El a măsurat că arderea unei kilograme de cărbune într-un motor cu aburi a făcut de cinci ori mai multă muncă decât consumarea unei kilograme de zinc într-o celulă Grove, o baterie primitivă folosită la acea vreme. În acest scop, el definește o unitate de lucru de făcut, care este egală cu capacitatea de a ridica o lire la o înălțime de un picior. Aceasta este una dintre primele definiții ale unei unități de lucru, motiv pentru care unitatea de lucru din Sistemul Internațional de Unități (Joule) îi poartă numele.

În 1843, Joule a publicat rezultate experimentale, potrivit cărora efectul său stabilit de încălzire a conductoarelor electrice s-a datorat generării de căldură în conductor în sine și nu transferului de căldură dintr-o altă parte a dispozitivului experimental. În acest fel, el se opune direct teoriei calorice predominante până acum, conform căreia căldura este o substanță specială care nu poate apărea și dispărea. Teoria caloriilor a dominat știința căldurii de la introducerea sa de Antoine Lavoisier în 1783 și interpretarea sa practică de succes în teoria mașinii cu aburi a lui Sadie Carnot din 1824. susținătorii teoriei calorice, care susțin că conversia curentului în căldură este reversibilă și indică simetria efectului termoelectric ca dovadă.

De-a lungul timpului, interesul lui James Joule s-a mutat de la o problemă pur practică la considerații mai generale de conversie a energiei. A fost unul dintre puținii contemporani care au apreciat munca lui John Herapat despre teoria cinetică a gazelor. De asemenea, a fost puternic influențat de publicația lui Peter Yuart din 1813 „On the Measure of Motor Force” („Cu privire la măsura forței în mișcare”). Mai târziu, el însuși i-a numit pe Francis Bacon, Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson și Humphrey Davy ca predecesori.

S-a îndreptat spre căutarea echivalentului mecanic al căldurii și a constatat că pentru a crește temperatura de 1 kilogram de apă cu 1 grad Fahrenheit era nevoie de 838 ft · lbf (ft-lire) de lucru mecanic. Această valoare este egală cu 4,51 J/cal, relativ apropiată de măsurătorile moderne - 4,1860 J/cal.

Joule și-a anunțat rezultatele la o ședință a secției chimice a Asociației Britanice pentru Avansarea Științei din Cork, în august 1843, însă declarația sa a fost întâmpinată de tăcere. El a căutat insistent o demonstrație pur mecanică a transformării muncii în căldură și a construit un dispozitiv special pentru a măsura fricțiunea unui lichid într-un filtru. Trecând apa printr-un cilindru perforat, a reușit să măsoare ușoara încălzire vâscoasă a lichidului, obținând un echivalent mecanic de 4,14 J/cal. Faptul că valorile obținute electric și pur mecanic coincid cel puțin cu primul semn, pentru Joule este o dovadă convingătoare a reversibilității muncii la căldură:

când se cheltuiește forța mecanică, se obține întotdeauna echivalentul exact al căldurii.

James Joule încearcă apoi să-și demonstreze punctul într-un al treilea mod. Măsoară căldura generată atunci când se aplică contracția gazului și primește un echivalent mecanic de 4,29 J/cal. În multe privințe, acest experiment este cel mai vulnerabil la criticii lui Joule, așa că face un efort special pentru a depăși orice obiecții definind cu pricepere experiența. El și-a prezentat rezultatele Societății Regale la 20 iunie 1844, dar oferta de a le publica a fost respinsă și a fost obligat să se mulțumească cu publicarea în Revista Filozofică în anul următor. În el, el se opune direct raționamentului bazat pe teoria calorică a lui Sadie Carnot și Emile Clapeyron, fără a-și ascunde motivele teologice:

Cred că această teorie contrazice principiile acceptate ale filozofiei, deoarece duce la concluzia că forța vieții poate fi distrusă prin aranjarea incorectă a echipamentului. Astfel, domnul Clapeyron concluzionează că „întrucât temperatura focului este cu 1000 până la 2000 ° C mai mare decât cea a cazanului, există o pierdere imensă a forței de viață atunci când căldura trece de la cuptor la cazan”. Crezând că puterea de a distruge aparține doar Creatorului, susțin că orice teorie care necesită distrugerea puterii este neapărat greșită.

În articolul său din 1844, Joule scrie:

… Forța mecanică consumată în timpul rotației mașinii magneto-electrice este transformată în căldură dezvoltată în timpul trecerii curenților inductivi prin înfășurări; și, pe de altă parte, forța motrice a motorului electromagnetic este obținută în detrimentul căldurii din reacțiile chimice din bateria prin care funcționează.

În 1845, Joule și-a prezentat studiul „Despre echivalentul mecanic al căldurii” („Despre echivalentul mecanic al căldurii”) la o întâlnire a Asociației Britanice pentru Avansarea Științei la Cambridge. În el, el descrie cea mai faimoasă experiență a sa - o greutate în cădere transformă o roată de apă, în care lucrarea mecanică se face prin gravitație, într-un butoi izolat de apă, a cărui creștere este măsurată. De data aceasta a calculat echivalentul mecanic de 4,41 J/cal. De asemenea, el a scris o scrisoare care descrie experimentul către revista Philosophical, care a fost publicată în septembrie 1845.

În 1850 a publicat o nouă măsurare rafinată de 4.159 J/cal, aproape de estimările moderne.

Inițial, munca lui James Joule nu a fost acceptată de comunitatea științifică, deoarece rezultatele sale depindeau în mare măsură de acuratețea măsurătorilor și a pretins că măsoară temperaturile cu o precizie de 1/200 grade Fahrenheit (3 mK). O astfel de precizie este cu siguranță neobișnuită pentru fizica experimentală în această perioadă, dar Joule are acces la tehnicile practice utilizate în arta fabricării berii. El este foarte ajutat de maestrul instrumentelor științifice John Benjamin Dancer. Experimentele lui Joule completează opera teoretică a lui Rudolf Clausius, pe care unii autori îl consideră co-inventator al conceptului de energie.

Teoria cinetică a căldurii lui James Joule (el crede că este mai degrabă o formă de energie cinetică de rotație decât de translație) este legată de o importantă întrebare conceptuală - dacă căldura este o formă de mișcare moleculară, de ce nu se stinge treptat? Teoria lui Joule sugerează că coliziunile moleculelor sunt perfect elastice și, în același timp, însăși existența atomilor și moleculelor nu este recunoscută pe scară largă decât după o jumătate de secol mai târziu. Deși din punctul de vedere de astăzi este dificil să se înțeleagă atractivitatea teoriei calorice, în acel moment a oferit unele avantaje evidente. Teoria reușită a lui Sadie Carnot a motorului cu aburi s-a bazat pe abordarea calorică și abia mai târziu William Thomson a demonstrat că formulele lui Carnot erau valabile chiar și fără prezența fluidului caloric.

Între timp, în Germania, Hermann von Helmholtz a făcut cunoștință cu lucrarea lui Joule, precum și cu studii similare realizate de Julius Robert von Meyer din 1842. Deși ambii au fost ignorați de ani de zile, în formularea sa a Legii privind conservarea energiei din 1847. Helmholtz ține cont de contribuția lor la determinarea echivalentului mecanic de căldură.

În același an, Joule a făcut o nouă prezentare Asociației Britanice Oxford, la care au participat George Gabriel Stokes, Michael Faraday și tânărul și neortodoxul William Thomson, viitorul Lord Calvin, care fusese deja numit profesor de filosofie naturală la Universitatea Glasgow. Stokes este dispus să accepte ideile lui Joule, Faraday este lovit de ele, dar are îndoieli, iar Thomson este intrigat, dar sceptic.

Mai târziu, în 1847, Joule l-a întâlnit din greșeală pe Thomson la Chamonix în timp ce era în luna de miere. Joule și Thomson încearcă să efectueze un experiment măsurând diferența de temperatură între capetele superioare și inferioare ale unei cascade lângă Salansh, dar acest lucru se dovedește dificil de implementat.

Deși Thomson a acceptat că rezultatele lui Joule necesită o explicație teoretică, el a continuat să apere școala Carnot-Clapeyron. În publicația sa despre temperatura absolută din 1848, el a scris că „conversia căldurii în acțiune mecanică este probabil imposibilă și cu siguranță nu a fost descoperită”. Cu toate acestea, o notă de subsol notează „descoperirile foarte remarcabile” ale lui Joule, marcând primele sale îndoieli. Nu este clar de ce Thomson nu a trimis o copie a publicației sale lui Joule, dar după ce a citit-o, i-a scris pe 6 octombrie, insistând că cercetările sale au demonstrat transformarea căldurii în muncă, dar că planifică și noi experimente. . Thomson răspunde că își planifică propriile experimente și speră că opiniile celor doi vor fi de acord. Deși nu a efectuat noi experimente, în următorii doi ani Thomson a devenit din ce în ce mai deziluzionat de teoria lui Carnot și s-a convins de Joule.

În publicația sa din 1851, William Thomson abandonase deja un posibil compromis și scria că „întreaga teorie a forței motrice a căldurii se bazează pe ... două ... sisteme create de Joule și, respectiv, Carnot și Clausius”. Când Joule a citit articolul, el i-a trimis lui Thomson remarcile și întrebările sale, stabilind scena pentru o colaborare epistolară fructuoasă între cei doi, Joule conducând experimente și Thomson analizând rezultatele și făcând sugestii pentru încercări ulterioare. Lucrarea lor comună a durat între 1852 și 1856, ducând la descoperirea efectului Joule-Thomson, iar rezultatele generale publicate au contribuit mult la acceptarea cercetării și teoriei cinetice a lui Joule.

În 1850 James Joule a fost acceptat ca membru al Societății Regale, în 1860 a devenit președinte al Societății literare și filozofice din Manchester și în 1872 al Asociației britanice pentru avansarea științei. El a continuat să fie interesat de diverse probleme științifice pentru tot restul vieții sale. Astfel, în 1869, a scris Societății literare și filozofice din Manchester pentru observarea razei verzi.

Opiniile religioase și politice

James Joule este relativ religios și el însuși indică religia ca fiind unul dintre principalele motive pentru munca sa științifică și consideră legile naturale ca o expresie a rațiunii divine.

În politică, Joule este un susținător conservator, adesea dezaprobând liderii partidului liberal. De exemplu, în scrisoarea sa către John Tyndall, el a scris despre William Gladstone:

Descendenții îl vor considera cel mai rău „om de stat” pe care l-a avut vreodată Anglia.

Distincții și moștenire

  • Membru al Societății Regale (1850)
    • Medalia Regală (1852) „pentru publicația sa despre echivalentul mecanic al căldurii, tipărită în Filosofic„ Pentru lucrarea sa despre echivalentul mecanic al căldurii ”, tipărită în„ Transferurile filozofice ”din 1850”
    • Medalia Copley (1870) „pentru studiile sale experimentale ale teoriei dinamismului căldurii”
  • Președinte al Societății literare și filozofice din Manchester (1860)
  • Președinte al Asociației Britanice pentru Avansarea Științei (1872, 1887)
  • Membru de onoare al Institutului inginerilor și constructorilor navali din Scoția (1857)
  • Doctorate onorifice:
    • LL.D., Trinity College Dublin (1857)
    • DCL, Universitatea din Oxford (1860)
    • LL.D., Universitatea din Edinburgh (1871)
  • Pensie de stat de 200 de lire sterline pe an pentru servicii către știință (1878)
  • Medalia Albert a Royal Society of Arts (1880) „pentru stabilirea, după cele mai sârguincioase cercetări, a adevăratei legături între căldură, electricitate și muncă mecanică, oferindu-i astfel inginerului un principiu sigur pentru aplicarea științei în eforturile industriale. ".

Există un memorial pentru James Joule în nordul Westminster Abbey, dar nu este îngropat acolo. Prima carte biografică despre el a fost publicată în 1892 de prietenul și asociatul său și profesor la Owens College, Osborne Reynolds. O statuie a lui Joule de Alfred Gilbert este plasată în Manchester City Hall, vizavi de o statuie a lui John Dalton. Fabrica de bere a familiei lui James Joule există și astăzi, dar s-a mutat la Market Drayton.