James Prescott Joule - James Prescott Joule
James Prescott Joule
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Geboren |
Salford , Lancashire , England
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24. Dezember 1818
Ist gestorben | 11. Oktober 1889 |
(70 Jahre)
Staatsbürgerschaft | britisch |
Bekannt für |
Erster Hauptsatz der Thermodynamik Widerlegung der kalorischen Theorie |
Ehepartner | Amelia Grimes
( M. 1847; gestorben 1854) |
Kinder | Benjamin Arthur Alice Amelia Henry |
Auszeichnungen |
Königliche Medaille (1852) Copley-Medaille (1870) Albert-Medaille (1880) |
Wissenschaftlicher Werdegang | |
Felder | Physik |
Einflüsse |
John Dalton John Davies |
Artikel über |
Elektromagnetismus |
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James Prescott Joule FRS FRSE ( / dʒ uː l / ; 24. Dezember 1818 - 11. Oktober 1889) war ein englischer Physiker , Mathematiker und Brauer , geboren in Salford , Lancashire . Joule studierte die Natur der Wärme und entdeckte ihre Beziehung zur mechanischen Arbeit (siehe Energie ). Dies führte zum Energieerhaltungssatz , der wiederum zur Entwicklung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik führte . Die abgeleitete SI- Energieeinheit Joule ist nach ihm benannt.
Er arbeitete mit Lord Kelvin zusammen , um eine absolute thermodynamische Temperaturskala zu entwickeln , die als Kelvin- Skala bezeichnet wurde. Joule machte auch Beobachtungen der Magnetostriktion und fand die Beziehung zwischen dem Strom durch einen Widerstand und der abgeführten Wärme , die auch als erstes Gesetz von Joule bezeichnet wird . Seine Experimente zu Energieumwandlungen wurden erstmals 1843 veröffentlicht.
Frühe Jahre
James Joule wurde 1818 als Sohn von Benjamin Joule (1784–1858), einem wohlhabenden Brauer , und seiner Frau Alice Prescott in der New Bailey Street in Salford geboren . Joule wurde als junger Mann von dem berühmten Wissenschaftler John Dalton unterrichtet und wurde stark von dem Chemiker William Henry und den Manchester- Ingenieuren Peter Ewart und Eaton Hodgkinson beeinflusst . Er war fasziniert von Elektrizität , und er und sein Bruder experimentierten, indem sie sich gegenseitig und den Dienern der Familie Elektroschocks gaben.
Als Erwachsener leitete Joule die Brauerei. Wissenschaft war nur ein ernsthaftes Hobby. Irgendwann um 1840 begann er, die Möglichkeit zu untersuchen, die Dampfmaschinen der Brauerei durch den neu erfundenen Elektromotor zu ersetzen . Seine erste wissenschaftliche Arbeiten zu diesem Thema wurden beigetragen William Sturgeon ‚s Annalen von Elektrizität . Joule war Mitglied der London Electrical Society , die von Sturgeon und anderen gegründet wurde.
Teils motiviert durch den Wunsch eines Geschäftsmannes, die Wirtschaftlichkeit seiner Wahl zu quantifizieren , und teils durch seine wissenschaftliche Neugierde, machte er sich daran, herauszufinden, welche Antriebsmaschine effizienter war. Er entdeckte 1841 das erste Gesetz von Joule , dass die Wärme, die durch die richtige Wirkung eines voltaischen Stroms entwickelt wird, proportional zum Quadrat der Intensität dieses Stroms ist, multipliziert mit dem Leitungswiderstand, den er erfährt . Er erkannte weiter, dass das Verbrennen eines Pfunds Kohle in einer Dampfmaschine wirtschaftlicher ist als ein teures Pfund Zink, das in einer elektrischen Batterie verbraucht wird . Joule erfasste die Ergebnisse der alternativen Methoden in Bezug auf einen gemeinsamen Standard, die Fähigkeit, eine Masse mit einem Gewicht von einem Pfund auf eine Höhe von einem Fuß , dem Fuß-Pfund , zu heben .
Joules Interesse lenkte jedoch von der engen finanziellen Frage auf die Frage, wie viel Arbeit aus einer bestimmten Quelle gewonnen werden könnte, was ihn zu Spekulationen über die Konvertibilität von Energie veranlasste . Im Jahr 1843 veröffentlichte er die Ergebnisse von Experimenten zeigen , dass die Erwärmung Wirkung , die er im Jahr 1841 war aufgrund der Erzeugung von Wärme in dem quantifizierten hatte Leiter und nicht seine Übertragung aus einem anderen Teil der Anlage. Dies war eine direkte Herausforderung für die kalorische Theorie, die besagte, dass Wärme weder erzeugt noch zerstört werden konnte. Kalorische Theorie hatte in der Wissenschaft der Wärme dominiert Denken seit durch eingeführt Antoine Lavoisier 1783 Prestige des Lavoisier und der praktischen Erfolg Sadi Carnot ‚s kalorischer Theorie der Wärmekraftmaschine seit 1824 , dass der jungen Joule gewährleistet ist , arbeitet außerhalb entweder Wissenschaft oder Technik Beruf, hatte einen schwierigen Weg vor sich. Befürworter der kalorischen Theorie wiesen bereitwillig auf die Symmetrie des Peltier-Seebeck-Effekts hin, um zu behaupten, dass Wärme und Strom in einen zumindest näherungsweise reversiblen Prozess umwandelbar seien .
Das mechanische Äquivalent von Wärme
Weitere Experimente und Messungen mit seinem Elektromotor führten dazu, dass Joule das mechanische Wärmeäquivalent auf 4,1868 Joule pro Kalorie Arbeit schätzte , um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Kelvin zu erhöhen. Er gab seine Ergebnisse auf einer Sitzung der chemischen Sektion der British Association for the Advancement of Science in Cork im August 1843 bekannt und wurde von Schweigen erfüllt.
Joule ließ sich nicht entmutigen und suchte nach einer rein mechanischen Demonstration der Umwandlung von Arbeit in Wärme. Indem er Wasser durch einen perforierten Zylinder drückte, konnte er die leichte viskose Erwärmung der Flüssigkeit messen . Er erhielt ein mechanisches Äquivalent von 770 Fuß-Pfund-Kraft pro britischer thermischer Einheit (4.140 J/Cal). Die Tatsache, dass die sowohl auf elektrischem als auch auf rein mechanischem Wege erhaltenen Werte mindestens um eine Größenordnung übereinstimmten, war für Joule ein zwingender Beweis für die Realität der Umwandlung von Arbeit in Wärme.
Wo immer mechanische Kraft aufgewendet wird, wird immer ein exaktes Wärmeäquivalent erreicht.
— JP Joule, August 1843
Joule versuchte nun einen dritten Weg. Er maß die erzeugte Wärme gegen die Arbeit, die beim Komprimieren eines Gases geleistet wurde. Er erhielt ein mechanisches Äquivalent von 798 Fuß-Pfund-Kraft pro britischer thermischer Einheit (4.290 J/Cal). In vielerlei Hinsicht bot dieses Experiment den Kritikern von Joule das einfachste Ziel, aber Joule beseitigte die erwarteten Einwände durch geschicktes Experimentieren. Joule las sein Papier am 20. Juni 1844 der Royal Society vor, aber sein Papier wurde von der Royal Society zur Veröffentlichung abgelehnt und er musste sich mit der Veröffentlichung im Philosophical Magazine im Jahr 1845 begnügen kalorische Argumentation von Carnot und Émile Clapeyron , eine teilweise theologisch getriebene Ablehnung :
Ich vermute, dass diese Theorie ... den anerkannten Prinzipien der Philosophie widerspricht, weil sie zu dem Schluss führt, dass vis viva durch eine unsachgemäße Anordnung des Apparats zerstört werden kann: So zieht Herr Clapeyron den Schluss, dass "die Temperatur des Feuers" 1000 °C bis 2000 °C höher als die des Kessels gibt es einen enormen Vis-viva- Verlust beim Übergang der Wärme vom Ofen zum Kessel.' Da ich glaube, dass die Macht zur Zerstörung allein dem Schöpfer gehört, bestätige ich ... dass jede Theorie, die, wenn sie durchgeführt wird, die Vernichtung von Gewalt fordert, notwendigerweise falsch ist.
Joule nimmt hier die Sprache von vis viva (Energie) an, möglicherweise weil Hodgkinson im April 1844 eine Rezension von Ewarts On the measure of moving force to the Literary and Philosophical Society gelesen hatte .
Joule schrieb in seiner Arbeit von 1844:
... die mechanische Kraft, die beim Drehen einer magnetoelektrischen Maschine ausgeübt wird , wird in die Wärme umgewandelt, die beim Durchgang der Induktionsströme durch ihre Spulen entsteht; und andererseits, dass die Antriebsleistung des elektromagnetischen Motors auf Kosten der Wärme aufgrund der chemischen Reaktionen der Batterie, durch die er betrieben wird, erhalten wird.
Im Juni 1845 las Joule seinen Aufsatz On the Mechanical Equivalent of Heat auf dem Treffen der British Association in Cambridge vor . In dieser Arbeit berichtete er über sein bekanntestes Experiment, bei dem ein fallendes Gewicht verwendet wurde, bei dem die Schwerkraft die mechanische Arbeit verrichtet, um ein Schaufelrad in einem isolierten Wasserfass zu drehen, das die Temperatur erhöht. Er schätzte nun ein mechanisches Äquivalent von 819 Fuß-Pfund-Kraft pro britischer thermischer Einheit (4.404 J/Cal). Er schrieb einen Brief an das Philosophical Magazine, der im September 1845 veröffentlicht wurde und beschrieb sein Experiment.
Im Jahr 1850 veröffentlichte Joule eine verfeinerte Messung von 772,692 Fuß-Pfund-Kraft pro britischer thermischer Einheit (4.150 J/Cal), die näher an den Schätzungen des 20. Jahrhunderts liegt.
Empfang und Priorität
Ein Großteil des anfänglichen Widerstands gegen Joules Arbeit rührte von seiner Abhängigkeit von äußerst präzisen Messungen her . Er behauptete , die Lage sein , Temperaturen zu messen , um innerhalb von 1 / 200 von einem Grad Fahrenheit (3 mK). Eine solche Präzision war in der zeitgenössischen Experimentalphysik sicherlich ungewöhnlich, aber seine Zweifler haben möglicherweise seine Erfahrung in der Braukunst und seinen Zugang zu ihren praktischen Technologien vernachlässigt. Er wurde auch von geschickt unterstützt wissenschaftliches Instrument -maker John Benjamin Dancer . Joules Experimente ergänzten die theoretischen Arbeiten von Rudolf Clausius , der von manchen als Miterfinder des Energiekonzepts angesehen wird.
Joule wurde eine kinetische Theorie der Wärme vorschlägt (er angenommen , eine Form von Rotations zu sein, anstatt translationale kinetische Energie ), und dies einen konzeptuellen Sprung erforderlich: wenn Wärme eine Form der molekularen Bewegung war, warum nicht die Bewegung tat von sterben die Moleküle allmählich aus? Joules Ideen erforderten die Annahme, dass die Kollisionen von Molekülen vollkommen elastisch waren. Wichtig ist, dass die bloße Existenz von Atomen und Molekülen weitere 50 Jahre lang nicht allgemein akzeptiert wurde.
Obwohl es heute schwierig sein mag, den Reiz der Kalorientheorie zu verstehen , schien sie damals einige klare Vorteile zu haben. Auch Carnots erfolgreiche Theorie der Wärmekraftmaschinen basierte auf der kalorischen Annahme, und erst später wurde von Lord Kelvin bewiesen, dass Carnots Mathematik auch ohne die Annahme einer kalorischen Flüssigkeit gültig war.
In Deutschland wurde Hermann Helmholtz jedoch sowohl auf Joules Arbeit als auch auf die ähnliche Arbeit von Julius Robert von Mayer von 1842 aufmerksam . Obwohl beide Männer seit ihren jeweiligen Veröffentlichungen vernachlässigt worden waren, rechnete Helmholtz 1847 die endgültige Erklärung der Energieeinsparung ihnen beiden gut.
Ebenfalls 1847 nahmen George Gabriel Stokes , Michael Faraday und der frühreife und eigenwillige William Thomson , später Lord Kelvin, der gerade zum Professor für Naturphilosophie an der Universität ernannt worden war , an einer weiteren Präsentation Joules bei der British Association in Oxford teil von Glasgow . Stokes war "geneigt, ein Joulite zu sein", und Faraday war "sehr beeindruckt", obwohl er Zweifel hegte. Thomson war fasziniert, aber skeptisch.
Unerwartet trafen sich Thomson und Joule später in diesem Jahr in Chamonix . Joule heiratete Amelia Grimes am 18. August und das Paar ging in die Flitterwochen. Ungeachtet der ehelichen Begeisterung arrangierten Joule und Thomson einige Tage später einen Versuch, den Temperaturunterschied zwischen dem oberen und unteren Rand des Wasserfalls Cascade de Sallanches zu messen , was sich jedoch später als unpraktisch erwies.
Obwohl Thomson der Meinung war, dass Joules Ergebnisse eine theoretische Erklärung erforderten, zog er sich in eine temperamentvolle Verteidigung der Carnot-Clapeyron-Schule zurück. In seinem Bericht über die absolute Temperatur von 1848 schrieb Thomson, dass „die Umwandlung von Wärme (oder Wärme) in mechanische Wirkung wahrscheinlich unmöglich ist, sicherlich unentdeckt“ – aber eine Fußnote signalisierte seine ersten Zweifel an der kalorischen Theorie und bezog sich auf Joules „sehr bemerkenswerte Entdeckungen“. ". Überraschenderweise schickte Thomson Joule keine Kopie seines Papiers, aber als Joule es schließlich las, schrieb er am 6. Oktober an Thomson und behauptete, seine Studien hätten die Umwandlung von Wärme in Arbeit gezeigt, er plane jedoch weitere Experimente. Thomson antwortete am 27. und enthüllte, dass er seine eigenen Experimente plante und auf eine Versöhnung ihrer beiden Ansichten hoffte. Obwohl Thomson keine neuen Experimente durchführte, wurde er in den nächsten zwei Jahren zunehmend unzufrieden mit Carnots Theorie und von Joules Theorie überzeugt. In seinem Aufsatz von 1851 war Thomson bereit, nicht weiter als einen Kompromiss zu gehen und erklärte: "Die ganze Theorie der Antriebskraft der Wärme basiert auf zwei Sätzen, die jeweils auf Joule und Carnot und Clausius zurückzuführen sind".
Sobald Joule die Zeitung gelesen hatte, schrieb er Thomson mit seinen Kommentaren und Fragen. So begann eine fruchtbare, wenn auch weitgehend briefliche Zusammenarbeit zwischen den beiden Männern, Joule führte Experimente durch, Thomson analysierte die Ergebnisse und schlug weitere Experimente vor. Die Zusammenarbeit dauerte von 1852 bis 1856, ihre Entdeckungen einschließlich des Joule-Thomson-Effekts und die veröffentlichten Ergebnisse trugen viel zur allgemeinen Akzeptanz von Joules Arbeit und der kinetischen Theorie bei .
Kinetische Theorie
Kinetik ist die Wissenschaft der Bewegung. Joule war ein Schüler von Dalton und es ist keine Überraschung, dass er einen festen Glauben an die Atomtheorie gelernt hatte , obwohl viele Wissenschaftler seiner Zeit noch skeptisch waren. Er war auch einer der wenigen Menschen, die für die vernachlässigte Arbeit von John Herapath über die kinetische Gastheorie empfänglich waren . Er wurde außerdem tiefgreifend von Peter Ewarts 1813 erschienenem Aufsatz Über das Maß der Bewegungskraft beeinflusst .
Joule erkannte die Beziehung zwischen seinen Entdeckungen und der kinetischen Wärmetheorie. Seine Labornotizbücher zeigen, dass er Wärme eher für eine Rotations- als für eine Translationsbewegung hielt.
Joule konnte nicht widerstehen, in Francis Bacon , Sir Isaac Newton , John Locke , Benjamin Thompson (Count Rumford) und Sir Humphry Davy Vorläufer seiner Ansichten zu finden . Obwohl solche Ansichten berechtigt sind, schätzte Joule aus Rumfords Veröffentlichungen einen Wert für das mechanische Äquivalent der Wärme von 1034 Fuß-Pfund. Einige moderne Autoren haben diesen Ansatz mit der Begründung kritisiert, dass Rumfords Experimente keineswegs systematische quantitative Messungen darstellten. In einer seiner persönlichen Notizen behauptet Joule, dass Mayers Messung nicht genauer war als die von Rumford, vielleicht in der Hoffnung, dass Mayer seine eigene Arbeit nicht vorweggenommen hatte.
Joule wurde in einem Brief an die Manchester Literary and Philosophical Society aus dem Jahr 1869 die Erklärung des Phänomens des grünen Blitzes bei Sonnenuntergang zugeschrieben ; tatsächlich notierte er (mit einer Skizze) lediglich den letzten flüchtigen Blick als bläulich-grün, ohne zu versuchen, die Ursache des Phänomens zu erklären.
Veröffentlichte Arbeit
- "Über die Wärme, die von metallischen Leitern der Elektrizität entwickelt wird, und in den Zellen einer Batterie während der Elektrolyse" . Philosophisches Magazin . 19 (124): 260. 1841. doi : 10.1080/14786444108650416 .
- „Über die kalorischen Wirkungen von Magneto-Elektrizität und auf den mechanischen Wert der Wärme“ . Philosophisches Magazin . 3. 23 (154): 435–443. 1843. doi : 10.1080/14786444308644766 .
- "Über die Temperaturänderungen, die durch die Rarefaction und Kondensation von Luft erzeugt werden" . Verfahren der Royal Society of London . 5 : 517–518. 1844. doi : 10.1098/rspl.1843.0031 .
- "Über die Temperaturänderungen, die durch die Rarefaction und Kondensation von Luft erzeugt werden" . Philosophisches Magazin . 3. 26 (174): 369–383. 1845. doi : 10.1080/14786444508645153 .
-
"Über das mechanische Äquivalent von Wärme" . Mitteilungen und Zusammenfassungen von Mitteilungen an die British Association for the Advancement of Science . 15 . 1845b.
gelesen vor der British Association in Cambridge, Juni 1845
- „Über die Existenz einer äquivalenten Beziehung zwischen Wärme und den gewöhnlichen Formen mechanischer Kraft“ . Philosophisches Magazin . 3. 27 (179): 205–207. 1845c. doi : 10.1080/14786444508645256 .
- "Über das mechanische Äquivalent von Wärme" . Philosophische Transaktionen der Royal Society of London . 140 : 61–82. 1850. doi : 10.1098/rstl.1850.0004 .
- Die wissenschaftlichen Arbeiten von James Prescott Joule . London: Physikalische Gesellschaft. 1884. OL 239730M .
- Gemeinsame wissenschaftliche Arbeiten . London: Taylor und Francis. 1887.
Ehrungen
Joule starb zu Hause in Sale und wurde dort auf dem Brooklands- Friedhof begraben. Sein Grabstein ist mit der Nummer "772.55" beschriftet, seiner klimakterischen Messung des mechanischen Wärmeäquivalents von 1878, in der er feststellte, dass diese Menge an Fuß-Pfund Arbeit auf Meereshöhe aufgewendet werden muss , um die Temperatur von einem Pfund Wasser zu erhöhen von60 °F bis61 °F . Es gibt auch ein Zitat aus dem Johannes-Evangelium : "Ich muss das Werk dessen, der mich gesandt hat, tun, solange es Tag ist: die Nacht kommt, da kein Mensch arbeiten kann". Der Pub des Wetherspoon in Sale , der Stadt seines Todes, trägt den Namen "The JP Joule" nach ihm. Die Familienbrauerei von Joule überlebt bis heute, befindet sich aber jetzt in Market Drayton .
Zu den vielen Ehrungen und Belobigungen von Joule gehören:
- Fellow der Royal Society (1850)
- Royal Medal (1852), "Für seine Arbeit über das mechanische Äquivalent von Wärme, gedruckt in den Philosophical Transactions for 1850"
- Copley-Medaille (1870), "Für seine experimentellen Untersuchungen zur dynamischen Wärmetheorie"
- Präsident der Manchester Literary and Philosophical Society (1860)
- Präsident der British Association for the Advancement of Science (1872, 1887)
- Ehrenmitgliedschaft der Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland (1857)
- Ehrentitel:
- LL.D. , Trinity College, Dublin (1857)
- DCL , Universität Oxford (1860)
- LL.D., Universität Edinburgh (1871)
- Joule erhielt 1878 eine zivile Listenrente von 200 £ pro Jahr für Verdienste um die Wissenschaft
- Albert Medal von der Royal Society of Arts (1880), "dafür, dass er nach mühsamsten Forschungen die wahre Beziehung zwischen Wärme, Elektrizität und mechanischer Arbeit festgestellt hat und so dem Ingenieur eine sichere Anleitung bei der Anwendung der Wissenschaft auf industrielle Zwecke gegeben hat"
Es gibt ein Denkmal für Joule im nördlichen Chorgang der Westminster Abbey , obwohl er dort nicht begraben ist, im Gegensatz zu einigen Biographien. Eine Joule-Statue von Alfred Gilbert steht im Rathaus von Manchester , gegenüber von Dalton.
Familie
1847 heiratete Joule Amelia Grimes. Joule wurde Witwer, als sie 1854, 7 Jahre nach ihrer Hochzeit, starb. Sie hatten drei gemeinsame Kinder: einen Sohn, Benjamin Arthur Joule (1850–1922), eine Tochter, Alice Amelia (1852–1899) und einen zweiten Sohn, Joe (geboren 1854, der drei Wochen später starb).
Siehe auch
- Joule-Erweiterung
- Joules zweites Gesetz
- Gough-Joule-Effekt
- Magnetische Reluktanz
- Latente Hitze
- Spürbare Hitze
- Innere Energie
Verweise
Fußnoten
Zitate
Quellen
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Weiterlesen
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- Smith, C.; Wise, MN (1989). Energie und Imperium: Eine biographische Studie von Lord Kelvin . Cambridge University Press. ISBN 0-521-26173-2.
- Steffens, HJ (1979). James Prescott Joule und das Konzept der Energie . Watson. ISBN 0-8802-170-2.
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-
"Nachruf: Dr. Joule" . Elektroingenieur . London: Biggs & Co (18. Oktober): 311 –312. 1889.
James Joule Nachruf.
Externe Links
- Porträts von James Prescott Joule in der National Portrait Gallery, London
- Die wissenschaftlichen Arbeiten von James Prescott Joule (1884) – kommentiert von Joule
- Die gemeinsamen wissenschaftlichen Arbeiten von James Prescott Joule (1887) – kommentiert von Joule
- Klassische Veröffentlichungen von 1845 und 1847 auf der ChemTeam-Website Über das mechanische Äquivalent von Wärme und über die Existenz einer äquivalenten Beziehung zwischen Wärme und den gewöhnlichen Formen mechanischer Leistung
- Joules Wasserreibungsapparat im London Science Museum
- Einige Bemerkungen über Wärme und die Beschaffenheit elastischer Flüssigkeiten , Joules Schätzung der Geschwindigkeit eines Gasmoleküls von 1851
- Joule-Manuskripte in der John Rylands Library , Manchester.
- Material der Universität Manchester über Joule – enthält Fotos von Joules Haus und seiner Grabstätte
- Joule Physics Laboratory an der University of Salford