Джеймс Джоуль (к 200-летию со дня рождения)
Лель Белопухов
«Квант» №7, 2018
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.
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.
Вслед за этим открытием Джоуль осуществил эксперименты, в которых наглядно показал превращение энергии, или «силы», как тогда говорили, из одного вида в другой. Справедливости ради следует заметить, что незадолго до этого в одном из немецких медицинских журналов появилась статья доктора медицины врача Юлиуса Майера (1814–1878) «О количественном и качественном определении сил». В этой статье высказывалась идея о превращении тепла в работу и приводились результаты некоторых экспериментов на эту тему. Но Джоуль, как и все другие физики, медицинских журналов не читал и о размышлениях Майера ничего не знал.
В экспериментах Джоуля падающий груз через передаточный механизм вращал многолопастный пропеллер, помещенный в воду. В результате этого вода немного нагревалась. Легко подсчитать, что при падении груза массой 20 килограммов с высоты 4 метров 10 литров воды нагреются всего лишь на несколько сотых долей градуса. Поэтому измерение температуры должно было быть очень точным.
Многократные повторения этого эксперимента позволили Джоулю не только продемонстрировать превращение механической работы в теплоту, но и с большой точностью (много большей, чем у Майера) определить коэффициент пропорциональности между работой и теплотой. Теплоту тогда измеряли в калориях (кал), а работу — в килограммометрах, точнее в килограмм-сила-метрах (кгс · м). Еще не так давно этот коэффициент пропорциональности 427 кгс · м/ккал (или, в современном варианте, 4200 Дж/ккал) заучивали наизусть, изучая физику в средней школе. Но по смыслу открытия Майера и Джоуля этот коэффициент должен быть равен единице, если назвать и механическую работу и теплоту изменениями одной и той же физической величины — энергии. Сегодня применение термина «энергия» в науке стало общепринятым.
Вообще говоря, еще Аристотель (IV век до н. э.) в своей «Физике» использовал греческое слово ενέργευχ в смысле ‘деятельность, сила, мощь’. В 1745 году французский математик и физик маркиза Эмили дю Шатле (1706–1749) начала переводить на французский язык основной труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Это был не просто перевод с латыни на французский, а прежде всего «перевод» математической аргументации Ньютона на принятую на континенте лейбницевскую символику математического анализа, используемую и сегодня. Это сразу сделало общепонятной ньютоновскую механику. А в комментариях к своему переводу дю Шаттле предложила заменить лейбницевский термин «живая сила» (для величины mv2 / 2) греческим словом «энергия».
Не правда ли, этот факт как-то не вяжется с нашим представлением о маркизах эпохи Людовика XV как о жеманницах и модницах стиля рококо. Будучи знатной и по происхождению и по замужеству, Эмили дю Шаттле с 16 лет блистала в свете и, казалось, ее жизнь не отличалась от принятых в тогдашнем обществе стандартов поведения дамы высшего французского общества. Балы, романы, 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).
Памятник Джоулю в Манчестерской ратуше
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.
Джеймс Джоуль (1818–1889)