ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ
(1818 г. – 1889 г.)
Бенджамин Джоуль, богатый пивовар, жил в Солфорде, неподалеку от Манчестера. 24 декабря 1818 года его жена Эллис родила мальчика. Ему дали имя Джеймс Прескотт. В семье уже был один сын, Бенджамин. Еще двое детей умерли в младенчестве. После Джеймса в семье Джоулей родилось еще трое детей: две девочки и мальчик. Начальное образование маленькие Джоули получали дома. Джеймс был болезненным ребенком – у него были проблемы со спиной, но благодаря специальным упражнениям и процедурам он окреп и поправился. Скорее всего, из-за болезни Джеймс рос застенчивым и скромным.
Джеймс и Бенджамин, практически одногодки, были очень дружны и учились вместе. В 1834 году отец отправил братьев в Манчестерское литературно-философское общество, где они должны были изучать химию.
В жизни большинства великих ученых были свои великие учителя. Для Джоуля таким учителем стал знаменитый химик и физик Джон Дальтон, который в те годы был президентом Манчестерского литературно-философского общества. Занятия с Дальтоном оказали большое влияние на братьев Джоулей и пробудили у них интерес к науке. Дальтон учил молодых людей арифметике, алгебре, геометрии, естественной философии и, конечно же, химии. К сожалению, вскоре, в 1837 году, у Дальтона случился удар, и он был вынужден отказаться от преподавания. Но великий ученый успел поселить в сердцах юных братьев Джоулей интерес к исследованиям и обучить их основам экспериментаторской работы. Конечно, изначально этот интерес больше напоминал мальчишеские забавы. Например, изучая эхо, Джеймс потерял в горах отцовский пистолет. В другой раз у него от неудачного выстрела обгорели брови. Исследуя электричество, Джеймс и Бенджамин сконструировали электрическую машину и подвергали друг друга и детей прислуги весьма чувствительным ударам тока. Отец, тем не менее, поощрял увлечения наукой и даже выделил для этого специальную комнату.
Но не следует думать, что все свое время юноши посвящали учебе и развлечениям. С пятнадцатилетнего возраста Джеймс работал на заводе отца, здоровье которого оставляло желать лучшего, а, следовательно, требовалась помощь сыновей. Джоуль довольно долго оставался ученым-любителем. Основным местом приложения его талантов, времени и сил было отцовское предприятие. Исследования Джеймс проводил в свободное время, зачастую по ночам. Первые серьезные работы были посвящены изучению электричества и магнетизма. В 19 лет он построил оригинальный электромагнитный двигатель, описание которого было напечатано в журнале «Анналы электричества». Эта публикация и стала первой работой Джеймса Джоуля. А уже в 1840 году молодой ученый сделал первое открытие. Он обнаружил эффект магнитного насыщения и определил значение предела намагничивания для железа. Джоуль тут же нашел применение полученному результату и сконструировал электромагниты большей силы, чем имевшиеся до того. А далее открытия пошли одно за другим. В 1842 году Джоуль обнаружил и описал явление магнитострикции – изменения размеров и формы кристаллического тела при намагничивании. Параллельно ученый занялся изучением тепловых эффектов электрического тока. И здесь результат не заставил себя долго ждать. В 1841 году Джоуль обнаружил важную закономерность: количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока в цепи и времени прохождения тока. В 1842 году независимо от Джоуля к такому же заключению пришел российский ученый Эмилий Христианович Ленц. Англичанин опубликовал свои результаты только в 1843 году в работе «Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», поэтому приоритет в данном случае установить сложно. Впрочем, этот вопрос особых споров не вызвал, и поэтому сейчас это соотношение называют законом Джоуля – Ленца.
Но почему же Джеймс не спешил обнародовать информацию о своем открытии? Дело в том, что он рассматривал этот закон только как промежуточный результат на пути к решению довольно-таки смелой задачи более глобального масштаба. Он хотел доказать, что существует количественное соотношение между силами разной природы, приводящими к выделению теплоты. Поэтому параллельно английский ученый начал исследования еще в одной области физики: с 1843 года он всесторонне изучал различные температурные явления, что привело к нескольким фундаментальным открытиям. В 1843 году Джоуль экспериментально показал, что теплоту можно получить за счет механической работы, и вычислил механический эквивалент теплоты[80]. К необходимости введения такого понятия Джеймс пришел еще раньше: ученые испытывали трудности из-за невозможности привести механическую работу и количество теплоты к одним единицам измерения. Продолжив исследования в этой области, Джоуль открыл еще один закон: внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от плотности (объема) газа. Теперь этот закон называют именем Джоуля.
Что же касается личной жизни ученого, то в 1847 году Джеймс Джоуль женился на Эмили Граймс. К сожалению, семейное счастье Джоуля разрушила трагедия. В 1854 году Эмили умерла, оставив двоих детей: сына Бенджамина Артура и дочь Алису Эмилию. Всю оставшуюся жизнь Джеймс Джоуль оставался вдовцом.
В 1847 году произошло еще одно важное событие: Джоуль познакомился с Уильямом Томсоном. С будущим бароном Кельвином он впервые увиделся на встрече Британской ассоциации по распространению научных знаний в Оксфорде. Джоуль делал очередной доклад о механическом эквиваленте теплоты. Позже Томсон писал: «На встрече в Оксфорде я познакомился с Джоулем, и это знакомство вскоре перешло в дружбу, которая продолжалась на протяжении всей жизни».
Знаменательная встреча произошла в Альпах, где Джеймс и Эмили проводили медовый месяц. По дороге супруги совершенно случайно встретили Томсона, который ехал в горы на отдых. Трудно сказать, насколько рада была этой встрече Эмили – ведь ученые тут же занялись исследованиями, в частности, продолжая изучение тепловых явлений, приложили немало усилий, чтобы определить разницу температур воды в верхней и нижней части водопада Каскад де Саланш. Правда, Томсон позже писал, что жена его коллеги питала к подобной деятельности живой интерес.
Сотрудничество двух выдающихся ученых своего времени оказалось очень плодотворным. Например, совместно они пришли к выводу, что метеор[81] – это явление, связанное с сильным нагреванием и воспламенением тела, с громадной скоростью входящего в атмосферу. Помимо активной переписки, в ходе которой Джоуль и Томсон обменивались идеями, они провели и немало совместных исследований. В частности, в 1853–1854 годах коллеги, изучая тепловые явления и поведение газов в различных условиях, открыли эффект, получивший название эффект Джоуля – Томсона. Заключается он в охлаждении газов при медленном адиабатическом (без теплообмена с окружающей средой) протекании их через пористую перегородку. Этот эффект используется для сжижения газов. Также ученые посвятили много времени исследованиям тепловых явлений в жидкостях. Плодом их совместных усилий стала и термодинамическая температурная шкала, носящая имя Кельвина.
