James Prescott Joule

James Prescott Joule FRS FRSE
Född	( 1818-12-24 ) 24 december 1818 Salford , Lancashire , England
dog	11 oktober 1889 (1889-10-11) (70 år gammal) Försäljning , Cheshire , England
Medborgarskap	brittisk
Känd för	Motbevisar kaloriteori Termodynamikens första lag Mekanisk motsvarighet till värme Magnetostriktion Joule-cykel Joule-effekt Joule-expansion Joules första lag Joules andra lag Joule–Thomson-effekten
Make	Amelia Grimes . . ( m. 1847; död 1854 <a i=3>). ​
Barn	Benjamin Arthur Alice Amelia Henry
Utmärkelser	Kunglig medalj (1852) Copley-medalj (1870) Albert-medalj (1880)
Vetenskaplig karriär
Fält	Fysik
Influenser	John Dalton John Davies

En elmotor presenterad för Kelvin av James Joule 1842. Hunterian Museum , Glasgow.

James Prescott Joule FRS FRSE ( / dʒuːl Salford , / ; 24 december 1818 – 11 oktober 1889) var en engelsk fysiker matematiker och bryggare , född i , Lancashire. Joule studerade värmens natur och upptäckte dess förhållande till mekaniskt arbete . Detta ledde till lagen om energibevarande , vilket i sin tur ledde till utvecklingen av termodynamikens första lag . Den SI-härledda energienheten , joule , är uppkallad efter honom.

Han arbetade med Lord Kelvin för att utveckla en absolut termodynamisk temperaturskala, som kom att kallas Kelvin -skalan. Joule gjorde också observationer av magnetostriktion , och han fann förhållandet mellan strömmen genom ett motstånd och värmen som sprids , vilket också kallas Joules första lag . Hans experiment om energiomvandlingar publicerades första gången 1843.

Tidiga år

James Joule föddes 1818, son till Benjamin Joule (1784–1858), en rik bryggare , och hans fru, Alice Prescott, på New Bailey Street i Salford . Joule undervisades som ung av den berömda vetenskapsmannen John Dalton och var starkt influerad av kemisten William Henry och Manchesters ingenjörer Peter Ewart och Eaton Hodgkinson . Han var fascinerad av elektricitet, och han och hans bror experimenterade genom att ge elektriska stötar till varandra och till familjens tjänare.

Som vuxen skötte Joule bryggeriet. Vetenskapen var bara en seriös hobby. Någon gång omkring 1840 började han undersöka möjligheten att ersätta bryggeriets ångmaskiner med den nyuppfunna elmotorn . Hans första vetenskapliga artiklar i ämnet bidrog till William Sturgeons Annals of Electricity . Joule var medlem i London Electrical Society , som grundades av Sturgeon och andra.

Dels motiverad av en affärsmans önskan att kvantifiera ekonomin i valet, och dels av sin vetenskapliga nyfikenhet, satte han sig för att avgöra vilken drivkraft som var effektivare. Han upptäckte Joules första lag 1841, att värmen som utvecklas genom korrekt verkan av någon voltaisk ström är proportionell mot kvadraten på intensiteten av den strömmen, multiplicerad med motståndet mot ledning som den upplever . Han fortsatte med att inse att att bränna ett halvt kilo kol i en ångmaskin var mer ekonomiskt än ett dyrt kilo zink som förbrukades i ett elektriskt batteri . Joule fångade resultatet av de alternativa metoderna i termer av en gemensam standard, förmågan att höja en massa som väger ett pund till en höjd av en fot, fot- pund .

Joules intresse avleddes dock från den snäva ekonomiska frågan till frågan om hur mycket arbete som kunde utvinnas från en given källa, vilket fick honom att spekulera om energins omvandlingsbarhet. 1843 publicerade han resultat av experiment som visade att den värmeeffekt han hade kvantifierat 1841 berodde på att värmen genererades i ledaren och inte på dess överföring från en annan del av utrustningen. Detta var en direkt utmaning mot kaloriteorin som ansåg att värme varken kunde skapas eller förstöras. Kaloriteori hade dominerat tänkandet inom vetenskapen om värme sedan den introducerades av Antoine Lavoisier 1783. Lavoisiers prestige och den praktiska framgången med Sadi Carnots kaloriteori om värmemotorn sedan 1824 säkerställde att den unge Joule, arbetade utanför antingen akademin eller ingenjören yrke, hade en svår väg framför sig. Anhängare av kaloriteorin pekade lätt på symmetrin i Peltier-Seebeck-effekten för att hävda att värme och ström var omvandlingsbara i en åtminstone ungefärlig, reversibel process .

Den mekaniska motsvarigheten till värme

Ytterligare experiment och mätningar med sin elmotor fick Joule att uppskatta den mekaniska ekvivalenten av värme till 4,1868 joule per kalori arbete för att höja temperaturen på ett gram vatten med en Kelvin. Han tillkännagav sina resultat vid ett möte i den kemiska sektionen av British Association for the Advancement of Science i Cork i augusti 1843 och möttes av tystnad.

Joule var oförskämd och började söka en rent mekanisk demonstration av omvandlingen av arbete till värme. Genom att tvinga vatten genom en perforerad cylinder kunde han mäta den lätta trögflytande uppvärmningen av vätskan. Han erhöll en mekanisk ekvivalent av 770 fot-pund kraft per brittisk termisk enhet (4 140 J/Cal). Det faktum att de värden som erhölls både med elektriska och rent mekaniska medel överensstämde med åtminstone en storleksordning var för Joule ett övertygande bevis på verkligheten av omvandlingen av arbete till värme.

Varhelst mekanisk kraft utövas erhålls alltid en exakt ekvivalent av värme.

— JP Joule, augusti 1843

Joule försökte nu en tredje väg. Han mätte värmen som genererades mot arbetet som gjordes med att komprimera en gas. Han erhöll en mekanisk ekvivalent av 798 fot-pund kraft per brittisk termisk enhet (4 290 J/Cal). På många sätt erbjöd detta experiment det enklaste målet för Joules kritiker men Joule gjorde sig av med de förväntade invändningarna genom smarta experiment. Joule läste sin tidning för Royal Society den 20 juni 1844, men hans tidning avvisades för publicering av Royal Society och han fick nöja sig med att publicera i Philosophical Magazine 1845. I tidningen var han rättfram i sitt avslag på caloric resonemang av Carnot och Émile Clapeyron , ett avslag som delvis är teologiskt styrt:

Jag antar att denna teori ... står i motsats till filosofins erkända principer eftersom den leder till slutsatsen att vis viva kan förstöras genom en felaktig disposition av apparaten: Sålunda drar Clapeyron slutsatsen att "temperaturen på elden är 1000 °C till 2000 °C högre än pannan, sker en enorm förlust av vis viva när värmen passerar från ugnen till pannan.' Genom att tro att makten att förstöra enbart tillhör Skaparen, bekräftar jag ... att varje teori som, när den genomförs, kräver att våldet utplånas, nödvändigtvis är felaktig.

Joule anammar här språket vis viva (energi), möjligen för att Hodgkinson hade läst en recension av Ewarts On the measure of moving force to the Literary and Philosophical Society i april 1844.

Joule skrev i sin tidning från 1844:

... den mekaniska kraften som utövas vid vridning av en magneto-elektrisk maskin omvandlas till värmen som utvecklas genom passagen av induktionsströmmarna genom dess spolar; och å andra sidan att den elektromagnetiska motorns drivkraft erhålls på bekostnad av värmen på grund av batteriets kemiska reaktioner som den bearbetas.

I juni 1845 läste Joule sin tidning On the Mechanical Equivalent of Heat till British Associations möte i Cambridge . I detta arbete rapporterade han om sitt mest kända experiment, som involverade användningen av en fallande vikt, där gravitationen gör det mekaniska arbetet, för att snurra ett skovelhjul i en isolerad tunna med vatten som ökade temperaturen. Han uppskattade nu en mekanisk ekvivalent av 819 fot-pund kraft per brittisk termisk enhet (4 404 J/Cal). Han skrev ett brev till Philosophical Magazine som publicerades i september 1845 och beskrev hans experiment.

Joules värmeapparat, 1845

År 1850 publicerade Joule ett förfinat mått på 772.692 fot-pund kraft per brittisk termisk enhet (4 150 J/Cal), närmare 1900-talets uppskattningar.

Mottagning och prioritering

Joules apparat för att mäta den mekaniska ekvivalenten av värme

För kontroversen om prioritet med Mayer, se Mekanisk motsvarighet till värme § Prioritet .

Mycket av det initiala motståndet mot Joules arbete härrörde från dess beroende av extremt exakta mätningar . Han påstod sig kunna mäta temperaturer inom 1 ⁄ 200 av en grad Fahrenheit (3 mK). Sådan precision var förvisso ovanlig i samtida experimentell fysik men hans tvivlare kan ha försummat hans erfarenhet av bryggkonsten och hans tillgång till dess praktiska teknologier. Han fick också skickligt stöd av den vetenskapliga instrumentmakaren John Benjamin Dancer . Joules experiment kompletterade det teoretiska arbetet av Rudolf Clausius , som av vissa anses vara meduppfinnaren av energikonceptet.

Joule föreslog en kinetisk värmeteori (han trodde att det var en form av roterande, snarare än translationell, kinetisk energi ), och detta krävde ett konceptuellt språng: om värme var en form av molekylär rörelse, varför gjorde inte rörelsen av dör molekylerna ut gradvis? Joules idéer krävde att man trodde att kollisioner mellan molekyler var perfekt elastiska. Viktigt är att själva existensen av atomer och molekyler inte var allmänt accepterad på ytterligare 50 år.

Även om det kan vara svårt idag att förstå tjusningen med kaloriteorin, verkade den vid den tiden ha några tydliga fördelar. Carnots framgångsrika teori om värmemotorer hade också varit baserad på kaloriantagandet, och först senare bevisades det av Lord Kelvin att Carnots matematik var lika giltig utan att anta en kalorivätska.

Men i Tyskland blev Hermann Helmholtz medveten om både Joules arbete och Julius Robert von Mayers liknande arbete från 1842 . Även om båda männen hade försummats sedan deras respektive publikationer, gav Helmholtz definitiva deklaration från 1847 om bevarande av energi dem båda.

deltog en annan av Joules presentationer vid British Association i Oxford av George Gabriel Stokes , Michael Faraday och den brådmoge och ensamvargen William Thomson , senare för att bli Lord Kelvin, som just hade utnämnts till professor i naturfilosofi vid universitetet av Glasgow . Stokes var "benägen att vara en Joulite" och Faraday var "mycket imponerad av det" även om han hyste tvivel. Thomson var fascinerad men skeptisk.

Oväntat träffades Thomson och Joule senare samma år i Chamonix . Joule gifte sig med Amelia Grimes den 18 augusti och paret åkte på smekmånad. Trots äktenskaplig entusiasm arrangerade Joule och Thomson ett experiment några dagar senare för att mäta temperaturskillnaden mellan toppen och botten av vattenfallet Cascade de Sallanches , även om detta senare visade sig opraktiskt.

Även om Thomson kände att Joules resultat krävde teoretisk förklaring, drog han sig tillbaka till ett livligt försvar av Carnot - Clapeyron -skolan. I sin redogörelse för absolut temperatur från 1848 skrev Thomson att "omvandlingen av värme (eller kalori) till mekanisk effekt är förmodligen omöjlig, säkerligen oupptäckt" - men en fotnot signalerade hans första tvivel om kaloriteorin, med hänvisning till Joules "mycket anmärkningsvärda upptäckter" ". Överraskande, Thomson skickade inte Joule en kopia av sitt papper men när Joule så småningom läste det skrev han till Thomson den 6 oktober och hävdade att hans studier hade visat omvandling av värme till arbete men att han planerade ytterligare experiment. Thomson svarade den 27:e och avslöjade att han planerade sina egna experiment och hoppades på en försoning av deras två åsikter. Även om Thomson inte genomförde några nya experiment, blev han under de kommande två åren alltmer missnöjd med Carnots teori och övertygad om Joules. I sin uppsats från 1851 var Thomson villig att inte gå längre än en kompromiss och förklarade att "hela teorin om värmens drivkraft är grundad på två påståenden, som beror på Joule respektive Carnot och Clausius".

Så snart Joule läst tidningen skrev han till Thomson med sina kommentarer och frågor. Så började ett fruktbart, men till stor del brevformigt, samarbete mellan de två männen, Joule genomförde experiment, Thomson analyserade resultaten och föreslog ytterligare experiment. Samarbetet varade från 1852 till 1856, dess upptäckter inkluderade Joule-Thomson-effekten, och de publicerade resultaten gjorde mycket för att åstadkomma allmän acceptans av Joules arbete och den kinetiska teorin .

Kinetisk teori

James Prescott Joule

Kinetik är vetenskapen om rörelse. Joule var en elev av Dalton och det är ingen överraskning att han hade lärt sig en fast tro på atomteorin, även om det fanns många vetenskapsmän på hans tid som fortfarande var skeptiska. Han hade också varit en av de få människor som var mottagliga för John Herapaths försummade arbete om den kinetiska teorin om gaser . Han var ytterligare djupt influerad av Peter Ewarts 1813 papper om mått på rörlig kraft .

Joule uppfattade förhållandet mellan hans upptäckter och den kinetiska teorin om värme. Hans laboratorieböcker avslöjar att han trodde att värme var en form av rotationsrörelse snarare än translationsrörelse.

Joule kunde inte motstå att hitta föregångare till sina åsikter i Francis Bacon , Sir Isaac Newton , John Locke , Benjamin Thompson (Count Rumford) och Sir Humphry Davy . Även om sådana åsikter är berättigade, fortsatte Joule med att uppskatta ett värde för den mekaniska ekvivalenten av värme på 1 034 fot-pund från Rumfords publikationer. Vissa moderna författare har kritiserat detta tillvägagångssätt med motiveringen att Rumfords experiment inte på något sätt representerade systematiska kvantitativa mätningar. I en av sina personliga anteckningar hävdar Joule att Mayers mätning inte var mer exakt än Rumfords, kanske i hopp om att Mayer inte hade förutsett sitt eget arbete.

Joule har tillskrivits att förklara fenomenet med solnedgångens gröna blixt i ett brev till Manchester Literary and Philosophical Society 1869; faktiskt, han noterade bara (med en skiss) den sista glimten som blågrön, utan att försöka förklara orsaken till fenomenet.

Publicerat arbete

• "Om värmen som utvecklats av metalliska ledare av elektricitet, och i cellerna i ett batteri under elektrolys" . Filosofisk tidskrift . 19 (124): 260. 1841. doi : 10.1080/147864444108650416 .
• "Om värmeeffekterna av magnetisk elektricitet och om det mekaniska värdet av värme" . Filosofisk tidskrift . 3. 23 (154): 435–443. 1843. doi : 10.1080/14786444308644766 .
• "Om temperaturförändringar som produceras av sällsynthet och kondensation av luft" . Proceedings of the Royal Society of London . 5 : 517-518. 1844. doi : 10.1098/rspl.1843.0031 .
• "Om temperaturförändringar som produceras av sällsynthet och kondensation av luft" . Filosofisk tidskrift . 3. 26 (174): 369–383. 1845. doi : 10.1080/14786444508645153 .
• "Om den mekaniska motsvarigheten till värme" . Meddelanden och sammanfattningar av meddelanden till British Association for the Advancement of Science . 15 . 1845b. läst inför British Association i Cambridge, juni 1845
• "Om förekomsten av ett likvärdigt förhållande mellan värme och de vanliga formerna av mekanisk kraft" . Filosofisk tidskrift . 3. 27 (179): 205–207. 1845c. doi : 10.1080/147864444508645256 .
• "Om den mekaniska motsvarigheten till värme" . Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 140 : 61–82. 1850. doi : 10.1098/rstl.1850.0004 .
•   The Scientific Papers of James Prescott Joule . London: Physical Society. 1884. OL 239730M .
• Gemensamma vetenskapliga artiklar . London: Taylor och Francis. 1887.

• 

  Volym I och II av "The Scientific Papers"

• 

  Titelsidan för volym I av "The Scientific Papers"

• 

  Förord ​​till volym I av "The Scientific Papers"

• 

  Figur från volym I av "The Scientific Papers"

Högsta betyg

En staty av Joule i Manchester Town Hall

Joules gravsten på Brooklands kyrkogård, Sale

Joule dog hemma i Sale och ligger begravd på Brooklands kyrkogård där. Hans gravsten är inskriven med siffran "772.55", hans klimatmätning 1878 av den mekaniska ekvivalenten av värme, där han fann att denna mängd foot-pounds arbete måste förbrukas vid havsnivån för att höja temperaturen på ett pund vatten från 60 °F till 61 °F . Det finns också ett citat från Johannesevangeliet : "Jag måste utföra hans verk som har sänt mig, medan det är dag: natten kommer, då ingen kan arbeta". The Wetherspoon's pub i Sale , hans dödsstad, heter "The JP Joule" efter honom.

Joules många utmärkelser och beröm inkluderar:

• Fellow of the Royal Society (1850)
  • Royal Medal (1852), 'För hans uppsats om den mekaniska motsvarigheten till värme, tryckt i Philosophical Transactions for 1850'
  • Copley Medal (1870), "För hans experimentella undersökningar om den dynamiska värmeteorin"
• President för Manchester Literary and Philosophical Society (1860)
• Ordförande för British Association for the Advancement of Science (1872, 1887)
• Hedersmedlemskap av Institution of Engineers and Shipbuilders i Skottland (1857)
• Hedersgrader:
  • LL.D. , Trinity College, Dublin (1857)
  • DCL , University of Oxford (1860)
  • LL.D., University of Edinburgh (1871)
• Joule fick en civil listpension på 200 pund per år 1878 för tjänster till vetenskapen
• Albert Medal of the Royal Society of Arts (1880), "för att ha fastställt, efter mycket mödosam forskning, det sanna förhållandet mellan värme, elektricitet och mekaniskt arbete, och därmed ge ingenjören en säker vägledning i tillämpningen av vetenskap på industriella sysselsättningar"

Det finns ett minnesmärke över Joule i norra korgången i Westminster Abbey , även om han inte är begravd där, i motsats till vad vissa biografier säger. En staty av Joule av Alfred Gilbert står i Manchester Town Hall , mittemot Daltons.

Familj

1847 gifte Joule sig med Amelia Grimes. Joule blev änkeman när hon dog 1854, 7 år efter deras bröllop. De fick tre barn tillsammans: en son, Benjamin Arthur Joule (1850–1922), en dotter, Alice Amelia (1852–1899) och en andra son, Joe (född 1854, som dog tre veckor senare) Alice hade vuxit till att bli en vacker tjej som sin mamma. Benjamin blev stark som sin far. Joule var stolt över Alice och Benjamin. När James dog 1889 - var Alice och Benjamin förkrossade. 10 år senare hade Alice dött. Benjamin hade varit ensam tills han hittade en perfekt fru som han gifte sig med och dog 1922.

Se även

• Latent värme
• Kännbart värme
• Inre energi

Källor

•    Allen, HS (1943). "James Prescott Joule och energienheten" . Naturen . 152 (3856): 354. Bibcode : 1943Natur.152..354A . doi : 10.1038/152354a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4182911 .
•   Biografiskt register över tidigare stipendiater i Royal Society of Edinburgh 1783–2002 (PDF) . Royal Society of Edinburgh. Juli 2006. ISBN 0-902-198-84-X . Arkiverad från originalet (PDF) den 24 januari 2013 . Hämtad 1 februari 2017 .
•   Cardwell, Donald SL (1991). James Joule: En biografi . Manchester University Press. ISBN 978-0-7190-3479-4 .
• Hall, Alfred Rupert (1966). Abbey Scientists . R. & R. Nicholson.
• Murray, James Augustus Henry (1901). En ny engelsk ordbok om historiska principer; grundad huvudsakligen på det material som samlats in av Filologiska sällskapet . Oxford: Clarendon.
• Sibum, HO (1995). "Omarbetning av värmens mekaniska värde: precisionsinstrument och noggrannhetsgester i det tidiga viktorianska England". Studier i historia och vetenskapsfilosofi . 26 (1): 73–106. Bibcode : 1995SHPSA..26...73S . doi : 10.1016/0039-3681(94)00036-9 .
• Thomson, William (1848). "På en absolut termometrisk skala grundad på Carnots teori om värmens drivkraft och beräknad från Regnaults observationer". Filosofisk tidskrift .
• Thomson, William (1882). Matematiska och fysiska uppsatser . Cambridge: University Press.
•   Zemansky, Mark W (1968). Värme och termodynamik: en mellanlärobok (5:e upplagan). New York: McGraw-Hill. OCLC 902055813 .

Vidare läsning

• Bottomley, JT (1882). "James Prescott Joule" . Naturen . 26 (678): 617–620. Bibcode : 1882Natur..26..617B . doi : 10.1038/026617a0 .
• Forrester, J. (1975). "Kemi och bevarande av energi: The Work of James Prescott Joule". Studier i vetenskapens historia och filosofi . 6 (4): 273–313. Bibcode : 1975SHPSA...6..273F . doi : 10.1016/0039-3681(75)90025-4 .
• Fox, R, "James Prescott Joule, 1818–1889", i   North, J. (1969). Forskare från mitten av 1800-talet . Elsevier. s. 72–103. ISBN 0-7190-3479-5 .
• Glazebrook, Richard Tetley (1892). "Joule, James Prescott" . I Lee, Sidney (red.). Dictionary of National Biography . Vol. 30. London: Smith, Elder & Co.
• Reynolds, Osbourne (1892). Memoir av James Prescott Joule . Vol. 6. Manchester, England: Manchester Literary and Philosophical Society . Hämtad 5 mars 2014 .
•   Smith, C. (1998). The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain . London: Heinemann. ISBN 0-485-11431-3 .
• Smith, Crosbie (6 januari 2011). "Joule, James Prescott". Oxford Dictionary of National Biography (onlineutgåva). Oxford University Press. doi : 10.1093/ref:odnb/15139 . (Prenumeration eller medlemskap i Storbritanniens offentliga bibliotek krävs.)
•   Smith, C.; Wise, MN (1989). Energi och imperium: En biografisk studie av Lord Kelvin . Cambridge University Press. ISBN 0-521-26173-2 .
•   Steffens, HJ (1979). James Prescott Joule och energibegreppet . Watson. ISBN 0-88202-170-2 .
•   Walker, James (1950). Fysik 4:e upplagan . Pearson. ISBN 978-0-321-54163-5 .
• "Nekrolog : Dr Joule" . Elektroingenjör . London: Biggs & Co (18 oktober): 311 –312. 1889. James Joule dödsruna.

externa länkar

• Porträtt av James Prescott Joule på National Portrait Gallery, London
• De vetenskapliga artiklarna av James Prescott Joule (1884) – kommenterade av Joule
• James Prescott Joules (1887) gemensamma vetenskapliga artiklar – kommenterade av Joule
• Klassiska artiklar från 1845 och 1847 på ChemTeams webbplats om värmens mekaniska ekvivalent och om förekomsten av ett ekvivalent förhållande mellan värme och de vanliga formerna av mekanisk kraft
• Joules vattenfriktionsapparat vid London Science Museum
• Några kommentarer om värme och sammansättningen av elastiska vätskor, Joules 1851 uppskattning av hastigheten hos en gasmolekyl
• Joule-manuskript på John Rylands Library, Manchester.
• University of Manchester-material om Joule – inkluderar fotografier av Joules hus och gravplats
• Joule Physics Laboratory vid University of Salford