Джеймс Джоуль

Джеймс Джоуль родился 24 декабря 1818 года в Солфорде, промышленном городе на окраине Манчестера, в графстве Ланкашир, в доме на Нью-Бейли-стрит рядом с пивоварней, за стеной которой возвышалась тюрьма. Крестили мальчика 9 февраля 1819 года в манчестерской конгрегационалистской церкви на Гросвенор-стрит.

Пивоварню основал дед Джеймса незадолго до 1788 года, а потом ею управлял отец, Бенджамин Джоуль. Мать, Элис Прескотт, вышла за Бенджамина в Уигане 14 мая 1814 года. В семье было пятеро детей, Джеймс стал вторым. К сороковым годам пивоварня работала так бойко, что в обороте находились около тринадцати тысяч бочек.

Мальчик родился слабым. Порок позвоночника оставил на всю жизнь лёгкую хромоту. Школа не годилась для такого ребёнка, поэтому Джеймса и его старшего брата Бенджамина учили на дому, а занятия быстро превратились в игру с электричеством.

Братья пропускали ток от гальванической батареи через друг друга и через слуг. Однажды Джеймс заряжал лейденскую банку всё сильнее, пока служанка не потеряла сознание. Родители, как видно, замечали не всё.

Страсть к опытам не отпускала и в поездках. В горах Озёрного края Джоуль зарядил отцовский пистолет тройной порцией пороха, чтобы изучить эхо от скалы Скафелл. Отдача вырвала оружие из рук и отправила в озеро. Любопытство обходилось недёшево, но остановить мальчика не могло.

Подростком Джеймса отправили к Джону Дальтону, патриарху английской химии и автору атомной теории, который принимал учеников в Манчестерском литературно-философском обществе и руководил им с 1817 по 1844 год. Братья занимались арифметикой, геометрией, а затем химией.

Отец остался недоволен занятиями, зато любовь к эксперименту Джоуль получил именно от Дальтона. Позднее уроки продолжил лектор Джон Дэвис. Заметное влияние на подростка оказали и манчестерские знатоки: химик Уильям Генри, инженеры Питер Юарт и Итон Ходжкинсон.

Лет в шестнадцать Джоуль начал работать на пивоварне. Отец тяжело заболел, и сыновья взяли дело на себя. Рабочий день тянулся с девяти до шести. Из-за этого поступить в университет не удалось, и вся научная жизнь Джоуля прошла вне академических стен.

Машины на пивоварне давали пищу для размышлений. Насосы, паровые двигатели и бродильные чаны наводили на вопросы: как связаны температура и давление газа, почему накачивание воздуха греет цилиндр? Ответы Джоуль искал по утрам и вечерам в домашней лаборатории, которую устроил в отцовском доме.

Заседания Манчестерского литературно-философского общества стали второй школой. Там выступали известные химики и инженеры. Молодой пивовар слушал, задавал вопросы, а позднее сам выходил к кафедре.

В девятнадцать лет Джоуль взялся за электричество всерьёз. В 1838 году журнал «Анналы электричества», который издавал изобретатель Уильям Стёрджен, напечатал описание электромагнитного двигателя, построенного молодым пивоваром. Это была первая научная публикация Джоуля.

Двигатель родил смелую мечту. Паровые машины на пивоварне пожирали уголь, а электродвигатель, как казалось, мог работать от батарей, поэтому Джоуль подсчитал, сколько работы даёт килограмм цинка, растворяющегося в кислоте батареи, и сравнил цифру с работой от килограмма угля.

Расчёт разочаровал. Цинк стоил дороже угля, и паровые машины остались на пивоварне. Тот же довод Джоуль привёл против идеи заменить электричеством лошадей: овёс обходился дешевле цинка.

В 1839 году Джоуль начал серию опытов, где связывал механическую работу, электричество и тепло. Через год Стёрджен переехал в Манчестер, и оба оказались в одном кругу местных учёных. Для провинциального пивовара знакомство с издателем журнала стало пропуском в науку.

Опыты дали и неожиданный результат. Джоуль заметил, что часть энергии батареи уходит в тепло, а не в движение. Вопрос о том, куда исчезает энергия и во что она превращается, с тех пор не отпускал учёного и привёл к главным открытиям.

К концу 1840 года Джоуль изучил, как нагревается проводник с током, и отправил работу в Королевское общество в Лондоне. Доклад о тепле вольтова электричества интереса не вызвал, и в трудах общества напечатали лишь краткое изложение.

Суть открытия проста. Тепло, которое выделяет проволока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени. Формулу записывают как P = I²R. Джоуль показал, что тепло рождается в самой проволоке, а не перетекает из батареи, как считали сторонники теории теплорода.

Точность опытов держалась на термометрах. Джоуль сам калибровал приборы и добивался точности до одной двухсотой доли градуса Фаренгейта. Для физиков тех лет это было редкостью.

Независимо от Джоуля тот же закон нашёл российский физик Эмилий Ленц. Результаты Ленца появились в 1842 году, поэтому закон носит два имени, а в зарубежных учебниках встречается просто как закон Джоуля.

В те же годы Джоуль обнаружил магнитное насыщение, а в 1842 году магнитострикцию: железный стержень чуть удлиняется в магнитном поле. Эффект настолько мал, что коллеги отнеслись к открытию с недоверием. Тогда Джоуль придумал способ показать удлинение наглядно и нашёл то же явление у других металлов.

Следующий вопрос оказался самым важным: сколько механической работы нужно, чтобы получить определённое количество тепла? Ответ Джоуль начал искать в 1843 году. В сосуде с водой вращался электромагнит, а привод давал опускающийся груз. Вода нагревалась, и расчёт давал первое значение механического эквивалента теплоты.

Результат Джоуль доложил на съезде Британской ассоциации в Корке в 1843 году. Слушатели остались равнодушными. Большинство физиков верило в теплород, и сообщение молодого пивовара казалось им диковиной. Королевское общество тоже не спешило печатать работу.

Дальше пошли опыты с воздухом. Джоуль сжимал газ и продавливал воду через тонкие трубки, измеряя нагрев. В 1844 году сжатие газа дало величину, которая в пересчёте на современные единицы составляет около 4,3 джоуля на калорию.

На съезде в Кембридже в 1845 году появился опыт, ставший знаменитым. Груз опускался и вращал лопасти в закрытом сосуде с водой, а нагрев воды сопоставляли с потерянной высотой груза. Рисунок установки с лопастным колесом и двумя грузами вошёл в учебники физики.

Каждая серия требовала терпения. Два груза по 13 килограммов поднимали и опускали по двадцать раз, на это уходило около 35 минут, а между подъёмами Джоуль снимал показания термометров за деревянным щитом, чтобы тепло тела не искажало измерение. Итог: чтобы нагреть фунт воды на градус Фаренгейта, нужно совершить 781,8 фут-фунта работы.

Равнодушие учёных Джоуля не остановило. Весной 1847 года Джоуль прочёл публичную лекцию «О материи, живой силе и тепле» в читальном зале церкви Святой Анны в Манчестере. Слушали лекцию обычные горожане, академиков в зале не было.

Научные журналы отказывались печатать работу, поэтому текст лекции появился в манчестерской газете. Главную мысль Джоуль сформулировал просто: всякий раз, когда затрачивается механическая сила, получается точный эквивалент теплоты. Джоуль был верующим христианином и видел в законе сохранения подтверждение того, что силы природы дарованы Творцом и не исчезают бесследно.

Летом того же года Британская ассоциация собралась в Оксфорде. Джоулю дали всего несколько минут, и слушатели почти не отзывались, пока с места не поднялся молодой физик из Глазго Уильям Томсон. Томсон задавал вопросы, спорил, а потом подошёл к докладчику.

Принять выводы сразу Томсону было трудно. Брату Томсон признавался, что идеи Джоуля слегка расшатывают рассудок. Но вскоре молодой физик стал главным союзником пивовара и открыл ему дорогу к признанию.

С этого дня Джоуль перестал быть провинциальным чудаком. В 1849 году Королевское общество выслушало его итоговый мемуар «О механическом эквиваленте теплоты». Джоуль напомнил, что исполняет давнее обещание определить величину как можно точнее.

Знакомство переросло в многолетнее сотрудничество. Томсон жил в Глазго, Джоуль в Манчестере, поэтому работали по переписке, а опыты ставили в манчестерской лаборатории Джоуля. С 1852 по 1862 год они изучали, как ведёт себя газ, когда его медленно пропускают через пористую перегородку.

Установка была простой. Газ тёк по теплоизолированной трубке мимо пробки из ваты, термометры до и после перегородки показывали разницу, и при перепаде давления в одну атмосферу воздух охлаждался примерно на 0,25 градуса, а углекислый газ на 1,25 градуса. Водород, напротив, нагревался на 0,02 градуса.

Охлаждение показало, что молекулы газа притягиваются друг к другу. Расширяясь, газ тратит энергию на преодоление этого притяжения, и температура падает. В идеальном газе молекулы не взаимодействуют, поэтому эффекта нет. Позднее на нём построили установки для сжижения газов.

Вместе с Томсоном Джоуль помог выстроить термодинамическую шкалу температур, которая со временем превратилась в шкалу Кельвина. Физик из Глазго получил титул лорда Кельвина, и шкала носит его имя.

Параллельно Джоуль занимался кинетической теорией. Он верил в атомное строение вещества, как учил Дальтон, и заинтересовался забытой работой Джона Герапата о движении молекул газа. Расчёт средней скорости показал: молекулы водорода при нуле градусов Цельсия летят около 6225 футов в секунду, то есть примерно 1900 метров. Расчёт Джоуль напечатал в 1851 году. Из тех же опытов следовал и второй закон Джоуля: внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры.

В 1854 году пивоварню на Нью-Бейли-стрит продали. Покупатели, братья Томас и Ричард Смит, долго торговались и сбивали цену. К осени 1855 года пивоваренное оборудование вывезли, и в здании больше нельзя было варить пиво. Джоуль остался с наукой один на один.

Жил учёный скромно. Дом Оук-Филд в Уолли-Рейндж, где семья обосновалась в сороковых годах, сменился лабораторией на Эктон-сквер в Солфорде. Затем Джоуль перебрался в Торнклифф, в Олд-Траффорд, где соседи начали жаловаться на шум опытных двигателей.

Жалобы заставили искать новое жильё, и учёный переехал в Лоуэр-Бротон. Университета, который взял бы на себя расходы и шум, у Джоуля не было, поэтому приборы приходилось держать дома.

Среди изобретений тех лет оказался первый ртутный вытеснительный вакуумный насос. Джоуль применил электрическую сварку металла и предложил цикл газового двигателя при постоянном давлении, который позднее назвали циклом Брайтона и стали использовать в газовых турбинах.

В 1858 году Джоуль возвращался из Лондона шотландским экспрессом. Недалеко от Нанитона поезд налетел на корову, передние вагоны сошли с рельсов, погибли трое пассажиров, но Джоуль остался цел. Больше всего его поразило, что машинисты после аварии спокойно ели бутерброды. С тех пор дальние поездки давались ему с неохотой.

6 июня 1850 года Джоуля избрали членом Королевского общества. Честь пришла без университетского диплома и академической должности: кафедру Джоуль отклонил, потому что она отвлекла бы от опытов.

Признание нарастало: в 1852 году общество вручило Джоулю Королевскую медаль за работы по механическому эквиваленту теплоты, дублинский Тринити-колледж в 1857 году сделал пивовара почётным доктором права, а Оксфорд в 1860 году присвоил степень доктора гражданского права.

Манчестерское литературно-философское общество Джоуль знал с юности. Первый доклад Джоуль прочёл там в 1841 году, а членом общества стал 25 января 1842 года. Учёный был библиотекарем, затем секретарём, а с 1860-х годов президентом. По правилам срок длился два года, и учёного переизбирали при каждой возможности, пока болезнь не заставила отказаться.

В 1870 году Королевское общество присудило Джоулю высшую награду, медаль Копли, за экспериментальные исследования динамической теории теплоты. Эдинбургский университет в 1871 году присвоил степень доктора права.

Томсон, ставший лордом Кельвином, в 1882 году говорил о Джоуле с восхищением: он удивлялся смелости, с которой пивовар делал большие выводы из малых наблюдаемых эффектов, и умению извлекать из них точные числа. Осборн Рейнольдс, познакомившийся с Джоулем в 1869 году, вспоминал скромного, доброго человека, который стеснялся незнакомцев и не терпел позёрства и шарлатанства.

К началу семидесятых здоровье подорвалось окончательно. Болезнь заставила Джоуля отказаться от председательства в Британской ассоциации. Работа свелась к наблюдениям и опытам, которые не требовали сил.

К 1875 году собственные средства иссякли. В 1877 году Джоуль поселился в Сейле, в доме 12 на Уордл-роуд. В 1878 году королева назначила учёному пожизненную пенсию в 200 фунтов в год, и прошение поддержало Манчестерское литературно-философское общество.

В том же 1878 году Джоуль повторил измерение механического эквивалента теплоты и получил 772,55 фут-фунта. Так подвёл итог сорока годам опытов. Число позднее высекли на надгробии.

В 1880 году Общество поощрения искусств вручило Джоулю медаль Альберта, награду передал принц Уэльский. В последние годы учёный готовил собрание собственных статей, которое Физическое общество Лондона издало в двух томах, в 1884 и в 1887 годах.

Скромность не оставляла Джоуля до конца. Брату он признавался: «Думаю, я сделал две-три мелочи, но ничего достойного шума».

31 августа 1889 года Второй Международный конгресс электриков в Париже присвоил единице работы, энергии и количества теплоты имя Джоуля. Предложение прозвучало ещё в 1882 году: председатель Британской ассоциации Вильгельм Сименс назвал джоулем единицу тепла, равную десяти миллионам эргов.

Старший брат Бенджамин Джоуль родился 8 ноября 1817 года, стал землевладельцем и мировым судьёй.

• Родители
  • Бенджамин Джоульотец, владелец пивоварни, умер в 1858 году
  • Элис Прескоттмать, умерла в 1836 году
• Братья и сёстры
  • Бенджамин Джоуль1817—1895в 1876 году ему принадлежали более четырёх тысяч акров в графстве Донегол, умер 21 мая 1895 года
  • Элиссестра
  • Мэрисестра
  • Джонбрат
• Супруга
  • Амелия Граймс1847—1854дочь контролёра таможни порта Ливерпуль, познакомились в 1844 году, поженились 18 августа 1847 года
• Дети
  • Бенджамин Артур1850—1922сын
  • Элис Амелия1852—1899дочь

Свадебное путешествие провели в Шамони. Рассказывали, что учёный взял с собой длинный термометр, чтобы сравнить температуру воды наверху и внизу водопада у Саланша. Брызги помешали опыту.

Младший сын появился на свет в 1854 году и умер через двадцать дней, в июне. В сентябре того же года не стало Амелии, прожившей с мужем семь лет. Джоуль больше не женился. Потеря потрясла учёного, и он стал замкнутее.

Джеймс Джоуль умер вечером 11 октября 1889 года у себя дома в Сейле, на Уордл-роуд, 12. Учёному было 70 лет. Последние годы болезнь не отпускала, но упрямый труд не прекращался: Джоуль вёл наблюдения, пока хватало сил. Причиной смерти стала сосудистая деменция.

Весть о смерти разошлась поздно, поэтому похороны в Вестминстерском аббатстве устроить не успели. Манчестерский физик Осборн Рейнольдс предложил поставить в аббатстве памятник, и белую мраморную доску установили в северном хоровом проходе, рядом с могилами Ньютона, Гершеля и Дарвина. Надпись сообщает, что доску поставили люди многих стран.

Похоронили Джоуля на кладбище Брукландс в Сейле, участок B208–9 в старой части. Кладбище открыли в 1862 году на земле, которую купила община Сейла. До этого жителей Сейла хоронили при приходских церквях Святого Мартина и Святой Марии. В старой части Брукландса лежат изобретатель Джон Бенджамин Дансер, пионер микрофотографии, и адвокат Ричард Марсден Панкхёрст, муж суфражистки Эммелин Панкхёрст.

На надгробии нет громких титулов. Там выбито число 772,55, итог измерения 1878 года, и строка из Евангелия от Иоанна (9:4): «Мне должно делать дела Пославшего Меня, доколе есть день».

В 1893 году в вестибюле Манчестерской ратуши поставили мраморную статую Джоуля работы Альфреда Гилберта. Она стоит напротив статуи Дальтона, учителя, который когда-то привил подростку любовь к опыту. Бронзовый бюст есть и в парке Уортингтон в Сейле.

Имя Джоуля носят физическая лаборатория Солфордского университета, паб «Дж. П. Джоуль» в Сейле и кратер на обратной стороне Луны. Главным памятником остаётся единица энергии: один джоуль равен работе силы в один ньютон на пути в один метр.

• 24 декабря 1818 года — родился в Солфорде
• 1838 год — опубликовал описание электромагнитного двигателя
• 1840 год — отправил в Королевское общество доклад о тепле вольтова тока
• 1843 год — сообщение в Корке: первый опыт на механический эквивалент теплоты
• 1845 год — опыт с лопастным колесом на съезде в Кембридже
• 1847 год — лекция в Манчестере и встреча с Уильямом Томсоном в Оксфорде
• 18 августа 1847 года — женился на Амелии Граймс
• 6 июня 1850 года — избран членом Королевского общества
• 1852 год — получил Королевскую медаль, начал опыты с Томсоном
• 1854 год — продал пивоварню, умерла жена
• 1870 год — получил медаль Копли
• 1878 год — назначена пенсия, новое измерение 772,55
• 31 августа 1889 года — единицу энергии назвали джоулем
• 11 октября 1889 года — умер в Сейле
• 1893 год — в Манчестерской ратуше поставили статую Джоуля