James Prescott Joule

秩序は明らかに宇宙で維持されている... 神の主権的意志に支配されている。

James Prescott Jouleはイギリスの物理学者、数学者、醸造業者で、Lancashire州のSalfordで生まれた。Jouleは熱の性質を研究し、機械的仕事とのその関係を発見した。エネルギーを参照のこと。これは エネルギー保存の法則につながり、それが熱力学の第一法則の発展につながった。SI導出単位のエネルギーであるジュールは彼にちなんで命名されている。

彼はLord Kelvinと協力して絶対熱力学温度スケールを開発し、Kelvinスケールと呼ばれるようになった。Jouleはまた磁歪の観察を行い、抵抗器を通る電流と消散する熱との関係を発見した。これはJouleの第一法則とも呼ばれる。彼のエネルギー変換に関する実験は1843年に最初に発表された。

初期の年

James Jouleは1818年に、裕福な醸造業者Benjamin Joule 1784–1858とその妻Alice PrescottがSalfordのNew Bailey Streetで生まれた。Jouleは若い時代に有名な科学者John Daltonに家庭教師を受け、化学者William HenryとマンチェスターのエンジニアPeter EwartおよびEaton Hodgkinsonから強い影響を受けた。彼は電気に魅了され、彼と彼の兄は互いに、そして家族の召し使いに電気ショックを与えることで実験した。

大人になると、Jouleは醸造所を管理した。科学は単なる真剣な趣味だった。1840年頃のある時、彼は醸造所の蒸気機関を新しく発明された電動モーターに置き換える実行可能性を調査し始めた。この主題に関する彼の最初の科学論文はWilliam SturgeonのAnnals of Electricityに寄稿された。JouleはSturgeonおよび他の人によって設立されたLondon Electrical Societyの会員だった。

ビジネスマンの選択の経済性を定量化したいという願いの一部と、彼の科学的好奇心の一部に動機づけられて、彼はどちのプライムムーバーがより効率的であるかを決定することに着手した。彼は1841年にJouleの第一法則を発見した。それは任意のボルタ電流の適切な作用によって発生する熱は、その電流の強度の二乗に比例し、それが経験する伝導抵抗を乗じたものである。彼は蒸気機関で1ポンドの石炭を燃やすことは、電池で消費される高価な1ポンドの亜鉛よりも経済的であることに気付いた。Jouleは代替方法の出力を1ポンドの重さを1フィートの高さに上げる能力である足ポンドという共通の標準で捉えた。

しかし、Jouleの関心は狭い財務上の質問から与えられたソースからどれだけの仕事を抽出できるかという質問にそれて、エネルギーの変換可能性についての推測につながった。1843年、彼は1841年に定量化した加熱効果が機器の別の部分からの伝達ではなく、導体の熱の生成によるものであることを示す実験の結果を発表した。これはカロリック理論に対する直接的な挑戦であり、熱は創成または破壊されることはできないと主張していた。カロリック理論は、1783年にAntoine Lavoisierによって導入されて以来、熱の科学における思考を支配していた。Lavoisierの威信と1824年以来Sadi Carnotのカロリック理論の実践的成功により、学術界または工学プロフェッション以外で働いている若いJouleは難しい道を前にしていた。カロリック理論の支持者たちはPeltier–Seebeck効果の対称性を指摘し、熱と電流は少なくともおおよそ可逆的なプロセスで変換可能であると主張した。

熱の機械的等価物

彼の電動モーターによるさらなる実験と測定により、Jouleは熱の機械的等価物を1グラムの水の温度を1ケルビンだけ上げるための仕事の1カロリーあたり4.1868ジュールと推定した。彼は1843年8月にCorkで開催された科学技術振興British Associationの化学部門の会議で彼の結果を発表し、沈黙に直面した。

Jouleは落胆せず、仕事を熱に変換する純粋に機械的なデモンストレーションを求め始めた。穿孔シリンダーを通じて水を強制することにより、彼は流体のわずかな粘性加熱を測定することができた。彼はイギリス熱単位あたり770フットポンド力の機械的等価物（4,140 J/Cal）を得た。電気的手段と純粋に機械的手段の両方によって得られた値が少なくとも1桁の大きさで一致していたという事実は、Jouleにとって、仕事を熱に変換可能性の現実の説得力のある証拠だった。

機械力が消費されるところでは、常に正確に等価な熱が得られる。

Jouleは今、3番目のルートを試した。彼はガスの圧縮で実行された仕事に対して生成された熱を測定した。彼はイギリス熱単位あたり798フットポンド力の機械的等価物（4,290 J/Cal）を得た。多くの点で、この実験はJouleの批評家にとって最も簡単な的を提供したが、Jouleは巧妙な実験によって予想される異議を処理した。Jouleは1844年6月20日にRoyal Societyに彼の論文を読んだが、彼の論文はRoyal Societyによって出版のために却下され、彼は1845年にPhilosophical Magazineで発表することで満足しなければならなかった。論文で彼はCarnotおよびÉmile Clapeyronのカロリック推論の拒否について率直で、拒否は部分的に神学的に駆動された：

この理論が... 認識されている哲学の原則に反対していると思います。なぜなら、vis vivaが装置の不適切な配置によって破壊される可能性があるという結論につながるからです：つまり、Clapeyronは「火の温度がボイラーの温度より1000°C～2000°C高いため、炉からボイラーへの熱の通過において、vis vivaの莫大な損失がある」と推測しています。破壊する力は創造主だけに属すると信じて、私は... 実行されたとき、力の消滅を要求する理論は必然的に誤りであると断定します。

Jouleはここでvis vivaエネルギーの言語を採用しており、おそらくHodgkinsonが1844年4月にLiterary and Philosophical SocietyにEwartのOn the measure of moving forceのレビューを読んだためだろう。

Jouleは彼の1844年の論文で書いた：

... 磁気電気機械を回転させるために行使される機械的力は、その線輪を通じて誘導電流の通過によって発生する熱に変換されます。そして一方、電磁エンジンの駆動力は、それが動力を供給する電池の化学反応による熱の費用で得られます。

1845年6月、Jouleはケンブリッジで開催されたBritish Association会議で「熱の機械的等価物について」という彼の論文を読んだ。この研究で、彼は彼の最もよく知られている実験を報告した。それは重力が機械的仕事を行う落下する重りの使用を含んでいて、絶縁されたバレルの水をスピンするパドルホイールを使い、温度を上げた。彼は現在、イギリス熱単位あたり819フットポンド力の機械的等価物（4,404 J/Cal）を推定した。彼は1845年9月に発表されたPhilosophical Magazineへの手紙を書き、彼の実験を説明した。

1850年、Jouleはイギリス熱単位あたり772.692フットポンド力（4,150 J/Cal）のより精密な測定値を発表し、20世紀の推定値に近かった。

受信と優先度

Jouleの仕事に対する初期の抵抗の多くは、その極めて正確な測定への依存から生じた。彼はファーレンハイト1⁄200度（3 mK）以内で温度を測定できると主張した。そのような精度は確かに当代の実験物理学では一般的ではなかったが、彼の懐疑者は醸造術の芸術における彼の経験とその実用的な技術へのアクセスを見落としたかもしれない。彼はまた科学機器メーカーJohn Benjamin Dancerによって能力が高くサポートされていた。Jouleの実験はRudolf Clausiusの理論的な仕事を補完し、彼はエネルギー概念の共同発明者と考えられている。

Jouleは熱の運動論を提案していた。彼はそれが回転ではなく並進運動エネルギーの形であると信じており、これは概念的な飛躍を必要とした：もし熱が分子運動の形ならば、なぜ分子の運動は徐々に消えなかったのか？Jouleのアイデアは、分子の衝突が完全に弾性的であると信じることが必要だった。また、原子と分子の存在自体が50年間さらに広く受け入れられなかったことも忘れてはいけません。

今日はカロリック理論の魅力を理解するのが難しいかもしれませんが、その時点では明確な利点を持つように見えました。Carnotの成功した熱エンジン理論もカロリック仮定に基づいていて、後にLord KelvinによってはじめてCarnotの数学がカロリック液体を仮定することなく同等に有効であることが証明されました。

しかし、ドイツではHermann Helmholtzはjoubleの仕事とJulius Robert von Mayerの同様の1842年の仕事の両方を認識するようになった。両方の人が彼らのそれぞれの出版以来無視されていたが、Helmholtzの決定的な1847年のエネルギー保存宣言は彼ら両方を信用した。

また1847年、Jouleの別のプレゼンテーションがOxfordでのBritish Association会議に出席しました。George Gabriel Stokes、Michael Faraday、およびそれは神童でmaverickなWilliam Thomson（後にLord Kelvinになる）によって出席されました。彼はちょうどGlagow大学の自然哲学の教授に任命されていました。Stokesは「Jouleになびく傾向がある」であり、Faradayは「それで非常に打たれた」が彼は疑いを抱きました。Thomsonは興味を持ったが懐疑的でした。

予期しなかったことに、Thomsonとjouleは後年Chamonixで会いました。Jouleはアメリアグライムズと8月18日に結婚し、夫婦は新婚旅行に行きました。結婚の熱意にもかかわらず、JouleとThomsonはCascade de Sallanches滝の上部と下部の温度差を測定する実験を数日後に試みるように取り決めたが、これは後に実行不可能であることが判明した。

Thomsonはjouleの結果が理論的説明を要求されていると感じたが、彼はCarnot-Clapeyron学校の精力的な防御に後退した。彼の1848年の絶対温度の説明では、Thomsonは「熱またはカロリックの機械的効果への変換はおそらく不可能で、確かに未発見」と書いたが、脚注は彼がカロリック理論に対する最初の疑いを通知し、Jouleの「非常に注目すべき発見」を参照した。驚くべきことに、Thomsonはjouleに彼の論文のコピーを送りませんでしたが、jouleが最終的にそれを読んだとき、彼は10月6日にThomsonに書き、彼の研究が熱から仕事への変換を実証したが、彼がさらなる実験を計画していたと主張した。Thomsonは27日に答えた。彼が彼自身の実験を計画していて、彼らの2つのビューを調整することを望んでいることを明らかにしました。Thomsonは新しい実験を実施しなかったが、次の2年間で彼はCarnotの理論にますます不満を感じるようになり、Jouleの確信を確信するようになりました。彼の1851年の論文では、Thomsonは妥協以上にはいかないことをいとわず、「熱の駆動力の理論全体はJouleおよびCarnotとClausisにそれぞれ起因する2つの命題に基づいている」と宣言した。

Jouleが論文を読むとすぐに、彼はThomsonに彼のコメントと質問で書きました。これにより、2人の男性の間での実りのある（ただし主にepistolyの）コラボレーションが始まり、Jouleが実験を実施し、Thomsonが結果を分析し、さらなる実験を提案しました。コラボレーションは1852年から1856年まで続き、その発見にはJoule–Thomson効果が含まれ、発表された結果はjouleの仕事と運動論の一般的な受け入れをもたらすのに多くを行いました。

運動論

Kineticsは運動の科学である。JouleはDaltonの弟子であり、彼が原子論への強い信念を学んだことは驚きではない。彼の時代の多くの科学者がまだ懐疑的であったが。彼はまた、ガスの運動論に関するJohn Herapath氏の無視された仕事に受け入れられた数少ない人の1人でした。彼はさらにPeter Ewartの1813年の論文「On the measure of moving force」の影響を深く受けました。

Jouleは彼の発見と熱の運動論との関係を認識した。彼の実験室のノートは、彼が熱を並進運動ではなく回転運動の形であると信じていることを明らかにしている。

Jouleはフランシス・ベーコン、サー・アイザック・ニュートン、ジョン・ロック、ベンジャミン・トンプソン・カウント・ラムフォード、サー・ハンフリー・デイビのような彼の見解の先駆けを見つけるのに耐えられなかった。このような見方は正当化されているが、Jouleはrumfordの出版物から1034フットポンドの熱の機械的等価物の値を推定していきました。一部の現代の著作家は、Rumfordの実験が体系的な定量的測定を代表していないという理由でこのアプローチを批判している。彼の個人的な注記の1つで、Jouleはmayerの測定はrumfordの測定以上に正確ではないと主張しており、おそらくmayerが彼自身の仕事を予期していないという希望で。

Jouleはマンチェスター文学的およびPhの手紙で日没の緑色フラッシュ現象を説明することで認定されている