Джеймс Прескотт Джоуль – засновник енергетичної концепції термодинаміки

Ігор Сальниченко
11 січ.
Читати 6 хв

Оновлено: 12 січ.

У науковому середовищі завжди знаходяться постаті, чиї відкриття буквально перевертають розуміння фізичних процесів. Одним із таких титульних імен є Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) – англійський фізик і пивовар, який зробив визначальний внесок у розвиток термодинаміки та встановив механічний еквівалент теплоти. Погляньмо ближче на його життєвий шлях і те, як йому вдалося закласти фундамент однієї з найважливіших галузей сучасної фізики.

Ранні роки та формування наукових інтересів

Походження та освіта

Народився майбутній науковець 24 грудня 1818 року в місті Солфорд, біля Манчестера (Англія) [2; 5]. Його батько, Бенджамін Джоуль, був власником пивоварні, а родина загалом належала до середнього класу, що забезпечувало певну фінансову стабільність. Відповідно до місцевих документів того часу, сім’я займалася пивоварною справою вже декілька поколінь, і тому Джеймс змалку вбирав у себе навички виробництва та ведення господарства. Робота на сімейному підприємстві спонукала його до спостереження за тепловими й енергетичними процесами, що згодом стане одним із ключових напрямів його наукової діяльності.

Як зазначено у статті «James Prescott Joule» з Encyclopedia Britannica [2], перші уроки Джоуль здобув у домашніх умовах, що було типовою практикою для дітей із заможних родин. Його цікавили різні галузі знань: від механіки та хімії до початкової електротехніки. Джоуль мав схильність до точності у всьому: ретельно занотовував свої спостереження, прагнув систематизувати отримані дані й робити висновки на основі експериментів. Ця допитливість привела до того, що батько заохочував його досліди, надаючи змогу облаштувати невелику лабораторію в приміщенні пивоварні [2; 5].

У 1834 році, коли Джеймсу було 16 років, він почав навчатися у Джона Дальтона (1766–1844) – видатного англійського вченого, відомого як “батько сучасної атомної теорії” [1]. Під керівництвом Дальтона Джоуль опановував хімію, фізику та математику на більш академічному рівні, вдосконалюючи свої експериментальні навички й розширюючи уявлення про природу речовини та енергії. Саме в цей період Джоуль став проводити дедалі складніші досліди, часто пов’язані з електромагнітними явищами. За свідченнями сучасників, Джон Дальтон дуже високо цінував старанність і точність свого учня, що стало міцним фундаментом для майбутніх відкриттів [5].

Таким чином, взаємопроникнення родинної пивоварної справи та наукової зацікавленості визначило ракурс дослідницького шляху Джеймса Прескотта Джоуля. З одного боку, практична діяльність розвинула у нього вміння вимірювати та планувати експерименти, з іншого — наукова освіта під керівництвом Дальтона дала розуміння фундаментальних законів природи. Уже в підлітковому віці Джоуль мав достатню експериментальну базу, аби сміливо починати власні дослідження, що згодом призведе до визначних відкриттів у термодинаміці [1; 5].

Джеймс Прескотт Джоуль: ключові наукові досягнення

Механічний еквівалент теплоти

Одне з найважливіших відкриттів Джоуля – це встановлення кількісної залежності між теплотою і роботою, що отримало назву механічний еквівалент теплоти. У серії дослідів, проведених у 1840-х роках, він експериментально визначив, що певна кількість виконаної механічної роботи відповідає певній кількості теплоти, яка при цьому виділяється [1].

Для свого дослідження Джоуль використовував декілька варіантів експериментальної установки. Одним із найвідоміших був прилад, у якому падіння вантажу обертало лопаті в посудині з водою. При обертанні відбувалося тертя лопатей об воду, що призводило до підвищення її температури. Джоуль ретельно вимірював температуру води до і після обертання, а також кількість виконаної механічної роботи (визначеної через висоту і вагу вантажу). Порівняння цих величин дало змогу обчислити співвідношення між теплотою та роботою, яке стало основою для розуміння того, що енергія не зникає і не виникає з нічого, а лише переходить із однієї форми в іншу [1].

За словами самого Джоуля, він прагнув довести, що

“Кількість теплоти, яку генерує обертання, пропорційна кількості затраченої механічної енергії” [1].

Ці експериментальні дані стали поштовхом до формування закону збереження та перетворення енергії, а згодом — першого начала термодинаміки, яке описує зв’язок між внутрішньою енергією, теплотою та роботою [2; 5].

В історії науки механічний еквівалент теплоти став одним із ключових доказів того, що робота та теплота – це взаємозамінніформи енергії, а їх сумарна кількість залишається незмінною. Саме тому відкриття Джоуля спричинило справжній переворот у фізиці XIX століття, значно розширивши уявлення про закони природи й заклавши теоретичне підґрунтя сучасної термодинаміки [1; 2].

Внесок у термодинаміку

Одним із ключових досягнень Джоуля у цій галузі стало експериментальне доведення того, що внутрішня енергія ідеального газузалежить винятково від його температури і не залежить від тиску чи об’єму (за відсутності фазових переходів). У 1845–1847 рр.він здійснив низку дослідів, під час яких вимірював зміни температури газу при адіабатичному розширенні й робив висновок, що енергетичні перетворення всередині газу визначаються передусім тепловим станом [5].

Саме ці результати лягли в основу першого начала термодинаміки, яке коротко записується:

ΔU = Q − A,

де:

• ΔU — зміна внутрішньої енергії системи;

• Q — теплота від нагрівника;

• A (або W) — виконана робота.

Ідея про те, що температура є вирішальним фактором для внутрішньої енергії газу, мала далекосяжні наслідки для подальшого розвитку термодинаміки. Вона допомогла сформулювати принципи, згідно з якими загальна енергія системи зберігається в процесі будь-яких перетворень і може лише перетворюватися з однієї форми в іншу. Разом із тим, відкриття Джоуля підтвердило, що енергія — це узагальнена міра кількості руху чи взаємодій в усіх фізичних системах, від макроскопічних об’єктів до молекул і атомів [5].

Ефект Джоуля–Томсона

Спільно з Вільямом Томсоном (Лордом Кельвіном, 1824–1907) у 1852 році Джоуль описав явище, коли при вільному розширенні газу (тобто без теплообміну з навколишнім середовищем) відбувається зміна температури газу [2]. Основна ідея полягає в тому, що під час такого розширення газ виконує роботу, витрачаючи при цьому власну внутрішню енергію, що й зумовлює охолодження або нагрівання залежно від типу газу і початкових умов.

Цей процес дістав назву ефект Джоуля–Томсона, і він є надзвичайно важливим для кріогенної техніки. Принципово, ефект використовується в установках для зрідження газів (наприклад, у циклі Лінде-Гемпсона), холодильних машинах, процесах нафтопереробки та інших технологіях, де необхідно забезпечувати екстремально низькі температури або ефективний теплообмін [3].

У реальних газів (не ідеальних) прояви ефекту Джоуля–Томсона залежать від температури інверсії:

• Якщо початкова температура газу нижча за температуру інверсії, під час вільного розширення він охолоджується.

• Якщо ж початкова температура вища за температуру інверсії, газ нагрівається.

Таким чином, відкриття та опис ефекту Джоуля–Томсона стали важливим кроком у розумінні поведінки реальних газів і стали основою для численних промислових і наукових застосувань, включно з розробкою ефективних холодильних циклів і вивченням фізико-хімічних властивостей речовин за низьких температур [2; 3].

Наука, виробництво та визнання

Поєднання теорії та практики

Працюючи у сімейній пивоварні, Джоуль регулярно займався вимірюваннями теплових втрат та оптимізацією технологічних процесів. Ця практична діяльність була невідривно пов’язана з його зростаючим науковим інтересом: Джоуль удосконалювавекспериментальні прилади й методи спостереження, щоб досягати максимально можливої точності [2]. Він вивчав розсіювання тепла в різних вузлах виробництва і спостерігав, як механічна робота впливає на температурні зміни, фактично проводячи «польові» експерименти безпосередньо у процесі виготовлення пива.

Цей поєднаний підхід — коли практика слугує джерелом наукових ідей, а теоретичні припущення можна одразу перевірити на виробництві, — був надзвичайно ефективним. За даними [3], саме практичний підхід Джоуля до вимірювань і експериментів у реальних умовах сприяв тому, що результати його досліджень швидко набули широкого визнання серед наукової спільноти. Це допомогло Джоулю, який не мав офіційної академічної посади, здобути міжнародну репутацію завдяки новаторським ідеям та точним експериментальним підтвердженням законів перетворення енергії.

Визнання та останні роки

У 1850-х роках праці Джоуля стали предметом активного обговорення в наукових колах: вони переконливо підтверджували нові на той час ідеї про перетворення енергії, які кардинально змінювали уявлення про роботу і теплоту. Це привернуло увагу Лондонського королівського товариства — одного з найбільш престижних наукових об’єднань того часу. Як зазначено у Royal Society та Encyclopedia Britannica за вагомий внесок у розвиток експериментальної фізики й термодинаміки, Джеймсу Прескотту Джоулю була вручена Королівська медаль (Royal Medal), а згодом він став дійсним членом цього товариства [2; 3].

Одержавши визнання серед провідних науковців, Джоуль не зупинився на досягнутому. Він продовжував розробляти все досконаліші методи вимірювань, прагнучи отримувати дані з мінімальною похибкою та відкривати нові можливості для обґрунтування принципів термодинаміки. Поряд із цим, він співпрацював з іншими дослідниками (зокрема, з Вільямом Томсоном), доповнюючи та розвиваючи їхні теоретичні результати.

Помер учений 11 жовтня 1889 року, залишивши неоціненну спадщину: його експериментальні методи та відкриті закономірності стали фундаментом для подальшого формулювання основ термодинаміки, а його ідеї все ще впливають на сучасну фізику [5]. Сьогодні ім’я Джоуля нерозривно пов’язане з одиницею енергії — джоуль (J), а його праці продовжують надихати науковців у всьому світі, які розвивають і поглиблюють розуміння фізичних законів.

Спадок для сучасної науки

На честь Джеймса Прескотта Джоуля названо низку наукових понять, серед яких найвідомішою є одиниця вимірювання енергії — джоуль (J) [5]. Усі його відкриття, зокрема механічний еквівалент теплоти та низка ключових засад термодинаміки, фактично сформували основу для сучасного розуміння закону збереження енергії та заклали теоретичне підґрунтя термодинаміки.

Значення для сучасності полягає в тому, що розрахунки теплообмінних систем, двигунів внутрішнього згоряння, холодильних машин, турбін і безлічі інших приладів ґрунтуються на принципах, які Джоуль допоміг сформулювати [2]. Таким чином, його внесок залишається одним із найважливіших у фізиці, а сформульовані ним закономірності є необхідною передумовою для подальших досліджень і технологічних рішень в енергетиці, машинобудуванні та багатьох суміжних сферах.

Список джерел:

Reynolds, O. Memorials of James Prescott Joule [Текст] / O. Reynolds. – London : Macmillan, 1850. – 200 с.
James Prescott Joule [Електронний ресурс] // Encyclopedia Britannica. – Режим доступу: https://www.britannica.com/biography/James-Prescott-Joule (дата звернення: 11.01.2025).
Royal Society [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://royalsociety.org/ (дата звернення: 11.01.2025).
Arago, L. Exposé analytique de la découverte de M. Joule [Текст]. – Paris : Imprimerie Royale, 1850. – 120 с.
Джеймс Прескотт Джоуль [Електронний ресурс] // Вікіпедія. – Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Джеймс_Прескотт_Джоуль (дата звернення: 11.01.2025).