И З ИСТОРИИ НАУКИ
Джеймс Джоуль
(к 200-летию со дня рождения)
Л.БЕЛОПУХОВ
ВЕЛИКИЙ АНГЛИЙСКИЙ УЧЕНЫЙ ДЖЕЙМС
Прескотт Джоуль (1818–1889) родился в Солфорде близ Манчестера в семье пивовара. Из-за плохого здоровья он смог начать систематическое школьное образование лишь в 15 лет, причем одновременно ему пришлось трудиться на семейной пивоварне (после смерти отца управлять ею вместе со своим братом) вплоть до 36-летнего возраста, когда семейное предприятие удалось, наконец, продать. Одним из его домашних учителей был Джон Дальтон (1766–1844), замечательный физик-экспериментатор и химик-теоретик, один из создателей атомистических представлений в химии. Дальтон учил Джоуля математике и физике. Эта учеба была столь успешной, что уже в 19-летнем возрасте Джоуль сделал заявку на получение патента оригинального электрического двигателя, сконструированного им и построенного в своей мастерской.
Член редколлегии нашего журнала Лель Константинович Белопухов недавно отметил свое 90- летие. К этому юбилею он подготовил к изданию новую книгу под названием «Физика и физики», в которой излагает историю развития любимой науки через биографии ее создателей. Книга выпущена издательством «Книжный дом Университет» в серии «Библиотека физико-математической школы» и содержит 75 биографий выдающихся физиков. Их выбор определился исключительно авторскими симпатиями и предпочтениями, основанными на многолетнем опыте преподавания в высшей школе. Мы выбрали в качестве примера биографию Джеймса Джоуля, которому в этом году исполнилось 200 лет. Редакция нашего журнала поздравляет Леля Константиновича с юбилеем и желает ему новых книг и статей в «Кванте», а также любознательных слушателей и читателей.
Джеймс Джоуль (1818–1889)
Джоуля интересовали электричество и теплота. После тщательных точных экспериментов в 1841 году он установил закон теплового действия электрического тока (зависимость количества теплоты, выделяемого в проводнике при прохождении через него электрического тока, от величины тока и сопротивления проводника). Годом позже, в 1842 году русский физик Эмилий Ленц (1804–1865), декан физико-математического факультета Петербургского университета (впоследствии ставший его ректором), ничего не зная об опытах Джоуля, также экспериментально установил этот закон, который сегодня носит двойное имя: закон Джоуля–Ленца.
12
КВАНТ 2018/№7
маны, карточные игры – да, все это было. Но ее интимными друзьями были выдающиеся французские математики Мопертюи, Клеро и великий философ Вольтер. Ее достижения в математике и физике (оптике и акустике) не были значительными, но рассматривались на заседаниях Королевского общества, где она сама, как женщина, не имела права присутствовать. После ее безвременной кончины прусский король Фридрих Великий сказал: «Я потерял друга, которого знал 25 лет, великого человека, единственный недостаток которого заключался в том, что он был женщиной, человека, которого чтит весь Париж». Имя этой выдающейся женщины носит один из кратеров на Луне, а недавно состоялась премьера оперы финского композитора Кайи Саариахо «Эмили». Постепенно термин «энергия» входил в жизнь. В 1807 году английский физик Томас Юнг стал употреблять его в научных статьях. В 1829 году французский физик Гаспар Кориолис впервые употребил термин «кинетическая энергия». В 1851 году появилось понятие «потенциальная энергия» (английский физик Уильям Ренкин). И, наконец, в 1881 году на лекции Уильяма Томсона (лорда Кельвина) прозвучало: «Само слово энергия, хотя и было употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом в начале этого века, только сейчас входит в употребление, после того как теория развилась от простой формулы до принципа, пронзающего всю природу и направляющего исследователя в области науки». В честь Джоуля на Втором международном конгрессе электриков в 1889 году единица энергии получила его имя. Но, к сожалению, и до нашего времени сохранилось обыкновение тепловую и химическую энергию измерять в старых энергетических единицах – калориях. Особенно держатся за эту единицу химики и химико-технологи. Некоторым оправданием для них может служить то обстоятельство, что удельная теплоемкость воды при этом точно равна единице ( 1 кал ( г ◊ град ) ). От химической технологии недалеко и до пищевой промышленности. Поэтому энергетическая ценность продуктов питания обозначалась до недавнего
времени только в калориях. Сейчас идет переходный процесс – при маркировке продуктов питания используются две величины энергетической ценности: килокалории и килоджоули. Гораздо медленнее будет изменяться язык. Слово «калорийность» в обозримом будущем в обыденном языке вряд ли заменится на слово «джоулейность» несмотря на то, что для человеческого организма это одна и та же величина энергетической полезности (или вредности). Кроме установления закона превращения и сохранения энергии, Джоуль сделал еще очень много в термодинамике и исследовании газовых процессов. Вместе с У.Томсоном он открыл эффект охлаждения при медленном (а не быстром) расширении газа через пористую перегородку от большой плотности к малой. Этот эффект, получивший имя Джоуля–Томсона, и сейчас лежит в основе процесса получения сжиженных газов и многих технологических процессов. Например, при необходимости сконденсировать водяной пар, содержащийся в природном газе, перед его поступлением в трубопровод, чтобы предохранять стальные трубы от окисления (ржавчины). Джоуль был одним из основателей кинетической теории газов, намного опередив работы Максвелла и Больцмана. Убежденный сторонник атомистической теории, он рассматривал теплоту как энергию частиц газа, передаваемую от одного тела к другому. Давление газа он считал результатом ударов частиц газа о стенки сосуда, а скорость частиц – зависящей от температуры газа. Занимался он и изучением магнитных свойств веществ – открыл явление насыщения при намагничивании железа и явление магнитострикции при перемагничивании. Благодаря своим точным экспериментальным работам, Джоуль уже в 32 года был избран в Королевское общество и занял прочное место в истории науки как один из создателей закона сохранения и превращения энергии, этого важнейшего закона природы.