Энергия, которую нельзя создать или уничтожить: как Джеймс Джоуль заложил основы термодинамики

Джеймс Джоуль — один из пионеров термодинамики. Но главные его открытия связаны с изучением природы энергии и изменением представлений о тепле и механике во всем мире.

Интерес Джеймса Джоуля к электричеству и первые шаги в физике

Джеймс Джоуль родился в обеспеченной семье пивоваров. В детстве мальчик страдал от заболевания позвоночника, а потому был вынужден получать начальное образование дома.

Позже он стал учиться у известного физика и химика Джона Далтона, который заинтересовал юношу электричеством. Джоуль в тайне от семьи стал проводить различные эксперименты. Несколько раз он бил током себя и слуг, а однажды сжег свои брови во время опыта со взрывчаткой.

Когда Джеймсу было 15 лет, его отец начал сильно болеть, и юноше вместе со старшим братом пришлось возглавить семейный бизнес. Работа на фабрике занимала все его время, а потому Джеймс не мог поступить в университет. Тогда он устроил лабораторию при пивоварне, где продолжил свои эксперименты.

Во время работы на фабрике Джоуль часто обращал внимание на функционирование паровых двигателей и думал, как можно улучшить их эффективность. Тогда он решил заменить их на электрические. В 1838 году он опубликовал научную статью, в которой расписал устройство созданного им электромагнитного двигателя. Уже спустя два года на семейной пивоварне появились новые механизмы, а физик продолжил изучать электрический ток и тепловыделение.

В то же время Джеймс создал термометр, который мог определять температуру с точностью до 1/200 градуса. Именно это изобретение помогло ученому открыть эффект магнитного насыщения в 1840 году. Тогда же он отправил свою работу «Об образовании тепла с помощью электрического тока» в Королевское научное общество, но статья не была признана учеными.

Законы, открытые Джеймсом Джоулем

В том же году ученый провел эксперимент, где установил связь между током, сопротивлением и теплотой в проводнике. Это стало отправной точкой для формулирования его первого закона, известного сейчас как закон Джоуля-Ленца: теплота пропорциональна произведению квадрата тока на сопротивление цепи.

Параллельно Джеймс изучал магнитные явления. Однажды он заметил, что железо изменяется в размере под воздействием магнитных волн: когда физик помещал металлические стержни в магнитное поле, их длина становилась немного больше. Однако научное сообщество с сомнением отнеслось к отрытию Джоуля, ведь изменения в размере были совсем незначительные.

Но ученый не сдавался и разработал целую методику, чтобы визуально показать изменения. Позже он обнаружил, что подобный эффект встречается и у других металлов. Только после этого научный мир согласился с открытием Джоуля и явление получило свое название — «магнитострикция».

Закон сохранения энергии на практике

Ученый же взял большой калориметр — прибор для измерения количества теплоты, — внутрь которого закрепил колесо с лопастями. После он соединил шестеренку с осью, на которую была намотана веревка и привязан груз. Получалось так, что при опускании груза ось с колесом вращались, что, в свою очередь, нагревало воду.

Затем физик опустил груз около 20 раз, что нагрело воду до температуры, которую он мог измерить. Его расчеты показали, что количество потенциальной энергии, которую терял груз, равно количеству тепловой энергии, полученной водой. Таким образом, Джеймс Джоуль подтвердил, что невозможно создать или уничтожить энергию.

Позже именно это легло в основу первого закона термодинамики, который гласит, что при воздействии на объект происходит либо изменение его свойств, либо взаимодействие с окружающей средой, либо и то, и другое одновременно.

Научный гений без образования

Однако к результатам, полученным Джоулем, продолжали относится скептически, только из-за того, что у физика не было академической подготовки. Многие ученые не были готовы согласится с Джеймсом, в том числе и Уильям Томсон. Но именно благодаря ему научное сообщество в итоге признало труды Джеймса Джоуля.

Джоуль вместе с Томсоном начали изучать свойства газов и обнаружили, что температура газа или жидкости снижается при прохождении через изолированный клапан. Сейчас это явление называется эффектом Джоуля-Томсона и используется для получения низких температур.

Физики совместно также работали над термодинамической шкалой, известной сейчас как шкала Кельвина. Она получила такое название в честь титула лорда Кельвина, который принадлежал Уильяму Томсону. В ней температура отсчитывается от абсолютного нуля, то есть состояния, которое соответствует минимально возможной внутренней энергии тела.

В год смерти Джеймса Джоуля на Втором международном конгрессе электриков ученые решили увековечить имя физика. Они ввели в Систему измерения новую единицу — джоуль, который означает работу, энергию и количество теплоты.