James Prescott Joule - James Prescott Joule

James Prescott Joule

FRS FRSE
Joule James sitting.jpg
narozený(1818-12-24)24. prosince 1818
Salford, Lancashire, Anglie
Zemřel11. října 1889(1889-10-11) (ve věku 70)
Prodej, Cheshire, Anglie
Státní občanstvíbritský
Známý jakoPrvní zákon termodynamiky
Vyvrácení kalorická teorie
Manžel (y)Amelia Grimes
(m. 1847–1854)
DětiBenjamin Arthur
Alice Amelia
Jindřich
OceněníKrálovská medaile (1852)
Copley medaile (1870)
Albert medaile (1880)
Vědecká kariéra
PoleFyzika
VlivyJohn Dalton
John Davies
Elektromotor předložen Kelvin James Joule v roce 1842. Hunterian Museum, Glasgow.

James Prescott Joule FRS FRSE (/dʒaʊl,dʒuːl/;[1][2][A] 24. prosince 1818 - 11. října 1889) byl Angličan fyzik, matematik a sládek, narozen v Salford, Lancashire. Joule studoval povahu teplo, a objevil jeho vztah k mechanické práce (vidět energie ). To vedlo k zákon zachování energie, což následně vedlo k rozvoji první zákon termodynamiky. The Jednotka odvozená od SI energie, joule, je pojmenován po něm.

Pracoval s Lord Kelvin vyvinout absolutní termodynamiku teplota měřítko, které se začalo nazývat Kelvin měřítko. Joule také dělal pozorování magnetostrikce, a našel vztah mezi proud přes a odpor a teplo rozptýleny, kterému se také říká Jouleův první zákon. Jeho experimenty o energetických transformacích byly poprvé publikovány v roce 1843.

Raná léta

James Joule se narodil v roce 1818, syn bohatého Benjamina Jouleho (1784–1858) sládek a jeho manželka Alice Prescottová na ulici New Bailey Street ve městě Salford.[3] Joule byl vychován jako mladý muž slavným vědcem John Dalton a byl silně ovlivněn chemikem William Henry a Manchester inženýři Peter Ewart a Eaton Hodgkinson. Byl fascinován elektřina a on a jeho bratr experimentovali tím, že si navzájem dávali elektrické šoky a rodinným služebníkům.

Jako dospělý Joule řídil pivovar. Věda byla jen vážným koníčkem. Někdy kolem roku 1840 začal zkoumat proveditelnost výměny pivovaru parní stroje s nově vynalezeným elektrický motor. Jeho první vědecké práce na toto téma bylo přispěno William Sturgeon je Annals of Electricity. Joule byl členem London Electrical Society, zřízený Sturgeonem a dalšími.

Částečně motivováno podnikatelskou touhou kvantifikovat ekonomika podle volby a zčásti svou vědeckou zvědavostí se vydal zjistit, který hnací motor je účinnější. Objevil Jouleův první zákon v roce 1841 the teplo který se vyvine správným jednáním každého galvanický proud je úměrné druhé mocnině intenzity tohoto proudu, vynásobené odporem k vedení které zažívá.[4] Dále si uvědomil, že spalování a libra uhlí v parním stroji bylo ekonomičtější než nákladná libra zinek spotřebované v elektrické baterie. Joule zachytil výstup alternativních metod z hlediska společného standardu, schopnosti zvednout hmotu vážící jednu libru do výšky jedné chodidlo, libra nohy.

Jouleův zájem se však odklonil od úzké finanční otázky k otázce, kolik práce lze z daného zdroje vytáhnout, což ho vedlo ke spekulacím o směnitelnosti energie. V roce 1843 zveřejnil výsledky experimentů, které ukazují, že topení účinek, který vyčíslil v roce 1841, byl způsoben generováním tepla v dirigent a nikoli jeho přenos z jiné části zařízení. To byla přímá výzva pro kalorická teorie který držel toto teplo, nemohl být vytvořen ani zničen. Kalorická teorie ovládla myšlení ve vědě o teple od té doby, co byla zavedena Antoine Lavoisier v roce 1783. Lavoisierova prestiž a praktický úspěch Sadi Carnot kalorická teorie tepelný motor od roku 1824 zajistil, že mladý Joule, pracující buď venku akademická obec nebo inženýrství profesi, měl před sebou obtížnou cestu. Zastánci kalorické teorie snadno poukazovali na symetrii Peltier – Seebeckův efekt tvrdit, že teplo a proud byly přeměnitelné v alespoň přibližně reverzibilní proces.

Mechanický ekvivalent tepla

Další experimenty a měření s jeho elektrickým motorem vedly Jouleho k odhadu mechanický ekvivalent tepla jako 4,1868 joulů za kalorie práce na zvýšení teploty jednoho gramu vody o jeden Kelvin.[b] Výsledky oznámil na schůzi chemické sekce Britská asociace pro rozvoj vědy v Korek v srpnu 1843 a setkalo se s ním mlčení.[6]

Joule byl neohrožený a začal hledat čistě mechanickou demonstraci přeměny práce na teplo. Když vodu protlačil perforovaným válcem, mohl měřit mírnost viskózní ohřev kapaliny. Získal mechanický ekvivalent síly 770 stop liber na britskou tepelnou jednotku (4 140 J / Cal). Skutečnost, že hodnoty získané jak elektrickými, tak čistě mechanickými prostředky, souhlasily alespoň s jednou řádově byl pro Joule přesvědčivý důkaz o realitě přeměnitelnosti práce na teplo.

Kamkoli se vynaloží mechanická síla, vždy se získá přesný ekvivalent tepla.

— J.P.Joule, srpen 1843

Joule nyní zkusil třetí cestu. Změřil generované teplo proti práci provedené při stlačování plynu. Získal mechanický ekvivalent síly 798 stop liber na britskou tepelnou jednotku (4290 J / Cal). V mnoha ohledech tento experiment nabídl nejsnadnější cíl pro Jouleovy kritiky, ale Joule se zbavil očekávaných námitek chytrým experimentováním. Joule přečetl svůj papír královská společnost dne 20. června 1844,[7][8] ale jeho práce byla zamítnuta ke zveřejnění Královskou společností a musel se spokojit s publikováním v Filozofický časopis v roce 1845.[9] V novinách byl otevřeně ve svém odmítnutí kalorický uvažování Carnota a Émile Clapeyron, částečně odmítnutí teologicky řízený:

Domnívám se, že tato teorie ... je v rozporu s uznávanými principy filozofie, protože vede k závěru, že vis viva může být zničeno nesprávným umístěním přístroje: pan Clapeyron tedy vyvozuje závěr, že „při teplotě ohně vyšší o 1 000 ° C až 2 000 ° C než teplota kotle dochází k obrovské ztrátě vis viva v průchodu tepla z pece do kotle. “ Věřím, že moc zničit patří samotnému Stvořiteli, tvrdím ... že každá teorie, která, když bude provedena, vyžaduje zničení síly, je nutně chybná.

Joule zde přijímá jazyk vis viva (energie), pravděpodobně proto, že Hodgkinson četl Ewartův přehled Na míře pohyblivé síly do literární a filozofické společnosti v dubnu 1844.

Joule napsal ve svém příspěvku z roku 1844:

... mechanická síla vyvíjená při otáčení magnetoelektrického stroje je přeměněn na teplo se vyvinul průchodem indukčních proudů jeho cívkami; a na druhé straně to, že hnací síla elektromagnetického motoru je získávána na úkor tepla v důsledku chemických reakcí baterie, se kterou pracuje.

V červnu 1845 Joule přečetl svůj příspěvek Na mechanickém ekvivalentu tepla na schůzku Britské asociace v Cambridge.[10] V této práci uvedl svůj nejznámější experiment zahrnující použití padající váhy, při které gravitace provádí mechanickou práci, k roztočení vodní kolo v izolovaném sudu s vodou, který zvyšoval teplotu. Nyní odhadl mechanický ekvivalent síly 819 stop liber na britskou tepelnou jednotku (4 404 J / Cal). Napsal dopis do Filozofického časopisu, publikovaný v září 1845, popisující jeho experiment.[11]

Joule's Heat Apparatus, 1845

V roce 1850 publikoval Joule rafinované měření síly 772 692 stop liber na britskou tepelnou jednotku (4 150 J / Cal), blížící se odhadům dvacátého století.[12]

Příjem a priorita

Jouleův přístroj pro měření mechanického ekvivalentu tepla
Kontroverze ohledně priority s Mayerem viz Mechanický ekvivalent tepla § Priorita.

Velká část počátečního odporu vůči Jouleho práci pramenila z jeho extrémní závislosti přesný Měření. Tvrdil, že je schopen měřit teploty uvnitř1⁄200 stupně Fahrenheita (3 mK). Taková přesnost byla v současné experimentální fyzice jistě neobvyklá, ale jeho pochybovači možná zanedbali jeho zkušenosti s pivovarnickým uměním a přístup k jeho praktickým technologiím.[13] Byl také dovedně podporován vědecký nástroj -výrobce John Benjamin Dancer. Jouleovy experimenty doplňovaly teoretickou práci Rudolf Clausius, který je některými považován za coinventora energetické koncepce.

Joule navrhoval kinetickou teorii tepla (věřil, že jde spíše o formu rotační než translační, Kinetická energie ), a to vyžadovalo koncepční skok: pokud bylo teplo formou molekulárního pohybu, proč pohyb molekul postupně nevymřel? Jouleovy myšlenky vyžadovaly, aby člověk věřil, že srážky molekul byly dokonale elastické. Měli bychom také pamatovat na samotnou existenci atomy a molekuly nebyl široce přijímán dalších 50 let.

I když dnes může být těžké pochopit půvab kalorická teorie, v té době to vypadalo, že má nějaké jasné výhody. Carnot Úspěšná teorie tepelných motorů byla také založena na kalorickém předpokladu a teprve později to dokázala Lord Kelvin že Carnotova matematika byla stejně platná bez předpokladu kalorické tekutiny.

V Německu však Hermann Helmholtz si uvědomil jak Jouleovu práci, tak podobnou práci z roku 1842 Julius Robert von Mayer. Ačkoli oba muži byli od svých příslušných publikací opomíjeni, Helmholtzovo konečné prohlášení z roku 1847 uchování energie připsal je oběma.

Také v roce 1847 se konala další Jouleova prezentace na Britském sdružení v Oxford se zúčastnil George Gabriel Stokes, Michael Faraday a předčasný a mravní William Thomson, později se stal lordem Kelvinem, který byl právě jmenován profesorem přírodní filozofie na University of Glasgow. Stokes byl „nakloněn být Joulite“ a Faraday byl „hodně zasažen“, i když měl pochybnosti. Thomson byl zaujatý, ale skeptický.

Thomson a Joule se neočekávaně setkali později v tomto roce Chamonix. Joule se oženil s Amelií Grimes 18. srpna a pár šel na líbánky. Bez ohledu na manželské nadšení Joule a Thomson zařídili pokus o experiment o několik dní později, aby změřili teplotní rozdíl mezi horní a dolní částí Cascade de Sallanches vodopád, i když to se následně ukázalo nepraktické.

Ačkoli Thomson cítil, že Jouleho výsledky vyžadují teoretické vysvětlení, ustoupil do temperamentní obrany školy Carnot-Clapeyron. Ve svém účtu z roku 1848 absolutní teplota Thomson napsal, že „přeměna tepla (nebo kalorického) na mechanický účinek je pravděpodobně nemožná, určitě neobjevená“[14][15] - ale poznámka pod čarou signalizovala jeho první pochybnosti o kalorické teorii s odkazem na Jouleovy „velmi pozoruhodné objevy“. Thomson překvapivě neposlal Jouleovi kopii svého příspěvku, ale když si to Joule nakonec přečetl, napsal 6. října Thomsonovi s tvrzením, že jeho studie prokázaly přeměnu tepla na práci, ale že plánuje další experimenty. Thomson odpověděl 27. dne a odhalil, že plánuje své vlastní experimenty a doufá v usmíření jejich dvou názorů. Ačkoli Thomson neprovedl žádné nové experimenty, v příštích dvou letech byl stále více nespokojený s Carnotovou teorií a přesvědčen o Jouleově. Ve svém příspěvku z roku 1851 byl Thomson ochoten jít pouze kompromisem a prohlásil, že „celá teorie hnací síly tepla je založena na dvou propozicích, a to díky Joulemu a Carnotovi a Clausiovi“.

Jakmile Joule přečetl článek, který napsal Thomsonovi se svými komentáři a dotazy. Tak začala plodná, i když převážně epištolská, spolupráce mezi oběma muži, Joule provádějící experimenty, Thomson analyzoval výsledky a navrhoval další experimenty. Spolupráce trvala od roku 1852 do roku 1856, její objevy včetně Joule – Thomsonův efekt a zveřejněné výsledky přispěly k obecnému přijetí práce Joule a kinetická teorie.

Kinetická teorie

James Prescott Joule

Kinetika je věda o pohybu. Joule byl Daltonovým žákem a není žádným překvapením, že se v pevnou víru naučil atomová teorie, i když tam bylo mnoho vědců své doby, kteří byli stále skeptičtí. Byl také jedním z mála lidí vnímavých k zanedbávané práci John Herapath na kinetická teorie plynů. Dále byl hluboce ovlivněn Peter Ewart papír z roku 1813 Na míře pohyblivé síly.

Joule vnímal vztah mezi jeho objevy a kinetickou teorií tepla. Jeho laboratorní notebooky ukazují, že věřil, že teplo je spíše formou rotačního než translačního pohybu.

Joule nemohl odolat nalezení předchůdců svých názorů Francis Bacon, Vážený pane Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson (hrabě Rumford) a pane Humphry Davy. Ačkoli jsou tyto názory oprávněné, Joule pokračoval v odhadu hodnoty mechanického ekvivalentu tepla 1034 stop liber z publikací Rumforda. Někteří moderní autoři kritizovali tento přístup na základě toho, že Rumfordovy experimenty v žádném případě nepředstavovaly systematická kvantitativní měření. V jedné ze svých osobních poznámek Joule tvrdí, že Mayerovo měření už nebylo přesný než Rumfordova, možná v naději, že Mayer nepředpokládal svou vlastní práci.

Joule bylo přičítáno vysvětlování západu slunce zelený záblesk fenomén v dopise zaslaném Manchester Literary and Philosophical Society v roce 1869; ve skutečnosti pouze zaznamenal (pomocí náčrtu) poslední záblesk jako modrozelený, aniž by se pokoušel vysvětlit příčinu tohoto jevu.[16]

Publikovaná práce

Vyznamenání

Socha Joule v Manchester radnice
Jouleův náhrobek dovnitř Brooklands hřbitov, Prodej

Joule zemřel doma v Prodej[17] a je pohřben v Brooklands hřbitov. Na jeho náhrobku je napsáno číslo „772,55“, jeho klimakterické měření mechanického ekvivalentu tepla z roku 1878, ve kterém zjistil, že toto množství libra nohy práce musí být vynaloženo na hladina moře zvýšit teplota jednoho libra vody z 60 ° F na 61 ° F. Existuje také citace z Janovo evangelium: "Musím pracovat na díle toho, který mě poslal, zatímco je den: přichází noc, kdy žádný člověk nemůže pracovat".[Jan 9: 4] The Wetherspoon's hospoda v Prodej, město jeho smrti, nese po něm jméno „J. P. Joule“. Rodinný pivovar Joule přežívá dodnes, ale nyní se nachází v Market Drayton.[18]

Mezi mnohá Jouleova vyznamenání a uznání patří:

V severní sborové uličce je památník Joule Westminsterské opatství,[20] ačkoli tam není pohřben, na rozdíl od toho, co uvádějí některé biografie. Socha Joule od Alfred Gilbert stojí uvnitř Manchester radnice naproti Daltonovi.

Rodina

V roce 1847 se Joule oženil s Amelií Grimesovou. Joule ovdověla, když zemřela v roce 1854, 7 let po svatbě.[3] Měli spolu tři děti: syna Benjamina Arthura Jouleho (1850–1922), dceru Alice Amelii (1852–1899) a druhého syna Joe (nar. 1854, který zemřel o tři týdny později).[21]

Viz také

Reference

Poznámky pod čarou

  1. ^ OED: „Ačkoli si někteří lidé tohoto jména říkají (dʒaʊl), a další (dʒəʊl) [formát OED pro /dʒoʊl/], je téměř jisté, že J. P. Joule (a alespoň někteří jeho příbuzní) použili (dʒuːl)."
  2. ^ Jouleova jednotka 1 ft lbf / Btu odpovídá 5.3803×10−3 J / kal. Jouleův odhad tedy byl 4,15 J / kal, ve srovnání s hodnotou přijatou na počátku 20. století 4,1860 J / kal[5]

Citace

  1. ^ Murray 1901, str. 606.
  2. ^ Allen 1943, str. 354.
  3. ^ A b Životopisný index 2006.
  4. ^ Joule 1841, str. 260.
  5. ^ Zemansky 1968, str. 86.
  6. ^ Joule 1843, str. 263, 347 a 435.
  7. ^ Joule 1844.
  8. ^ Joule 1884, str. 171.
  9. ^ Joule 1845, str. 369–383.
  10. ^ Joule 1845b, str. 31.
  11. ^ Joule 1845c, str. 205-207.
  12. ^ Joule 1850, str. 61-82.
  13. ^ Sibum 1995.
  14. ^ Thomson 1848.
  15. ^ Thomson 1882, str. 100-106.
  16. ^ Joule 1884, str.606.
  17. ^ GRO Register of Deaths: DEC 1889 8a 121 ALTRINCHAM - James Prescott Joule
  18. ^ Holloway, Marku. „Náš příběh - pivovar Joules“. joulesbrewery.co.uk. Citováno 17. září 2019.
  19. ^ Cameron, Stuart D (n.d.). „Čestní členové a spolupracovníci“. Instituce inženýrů a stavitelů lodí ve Skotsku. Citováno 17. září 2019.
  20. ^ Hall 1966, str. 62.
  21. ^ Cardwell 1991, str. 322.

Zdroje

Další čtení

externí odkazy

Profesní a akademické asociace
Předcházet
Sir William Fairbairn, Bt		 Předseda Manchester Literary and Philosophical Society
1860–62		Uspěl
Edward William Binney
Předcházet
Henry Edward Schunck		 Předseda Manchester Literary and Philosophical Society
1868–70		Uspěl
Edward William Binney
Předcházet
Edward William Binney		 Předseda Manchester Literary and Philosophical Society
1872–74		Uspěl
Henry Edward Schunck
Předcházet
Edward William Binney		 Předseda Manchester Literary and Philosophical Society
1878–80		Uspěl
Edward William Binney
Předcházet
John Holt Stanway		 Tajemník Manchester Literary and Philosophical Society
1846–50		Uspěl
Edward William Binney