James Prescott Joule

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James Prescott Joule는 Lancashire의 Salford에서 태어난 영국의 물리학자, 수학자, 그리고 양조업자였다. Joule은 열의 성질을 연구했으며 열과 기계적 일의 관계를 발견했다(에너지 참조). 이는 에너지 보존 법칙으로 이어졌으며, 이는 차례로 열역학 제1법칙의 발전으로 이어졌다. 에너지의 SI 유도 단위인 줄(joule)은 그의 이름을 따서 명명되었다.

그는 Lord Kelvin과 함께 절대 열역학 온도 눈금을 개발하기 위해 일했으며, 이는 Kelvin 눈금이라고 불리게 되었다. Joule은 또한 자기 왜곡에 대한 관찰을 했으며, 저항을 통한 전류와 소산된 열 사이의 관계를 발견했으며, 이는 Joule의 제1법칙이라고도 불린다. 에너지 변환에 관한 그의 실험은 1843년에 처음 발표되었다.

초기 시절

James Joule은 1818년에 태어났으며, 부유한 양조업자인 Benjamin Joule(1784-1858)과 그의 아내 Alice Prescott의 아들로 Salford의 New Bailey Street에서 태어났다. Joule은 젊었을 때 유명한 과학자 John Dalton에게 사사를 받았으며 화학자 William Henry와 Manchester 공학자 Peter Ewart 및 Eaton Hodgkinson에게 큰 영향을 받았다. 그는 전기에 매료되었으며, 그와 그의 형제는 서로에게 그리고 가족의 하인들에게 전기 충격을 가하며 실험했다.

성인으로서 Joule은 양조장을 관리했다. 과학은 단지 진지한 취미였다. 1840년 경, 그는 양조장의 증기 엔진을 새로 발명된 전동 모터로 대체할 가능성을 조사하기 시작했다. 이 주제에 관한 그의 첫 번째 과학 논문들은 William Sturgeon의 Annals of Electricity에 기고되었다. Joule은 Sturgeon과 다른 사람들에 의해 설립된 London Electrical Society의 회원이었다.

부분적으로 선택의 경제성을 정량화하려는 사업가의 욕구에 의해 동기부여되고, 부분적으로 그의 과학적 호기심에 의해 동기부여된 그는 어떤 동력이 더 효율적인지를 결정하기로 나섰다. 그는 1841년에 Joule의 제1법칙을 발견했으며, 이는 적절한 작용의 모든 갈바니 전류에 의해 발생하는 열이 그 전류의 강도의 제곱에 비례하며 그것이 경험하는 도전 저항으로 곱해진다는 것이었다. 그는 석탄 1파운드를 증기 엔진에서 태우는 것이 전기 배터리에서 소비되는 비용이 많이 드는 아연 1파운드보다 더 경제적이라는 것을 깨달았다. Joule은 대안적인 방법들의 산출을 공통 표준인 1파운드 무게의 질량을 1피트 높이로 올릴 수 있는 능력인 foot-pound 단위로 포착했다.

그러나 Joule의 관심은 좁은 재무 문제에서 주어진 출처에서 얼마나 많은 일을 할 수 있는지에 대한 질문으로 돌아갔으며, 이는 그를 에너지의 전환성에 대해 추측하도록 이끌었다. 1843년에 그는 1841년에 정량화한 가열 효과가 다른 부분의 장비에서의 전달이 아닌 도체에서의 열 생성 때문이라는 것을 보여주는 실험 결과를 발표했다. 이는 열이 생성되거나 파괴될 수 없다고 주장한 열량설에 대한 직접적인 도전이었다. 열량설은 1783년 Antoine Lavoisier에 의해 도입된 이후 열 과학에서의 사고를 지배했다. Lavoisier의 명성과 1824년 이래 Sadi Carnot의 열기관의 열량설의 실제적 성공은 학계나 공학 전문 분야 밖에서 일하는 젊은 Joule이 어려운 길을 앞두고 있었음을 보장했다. 열량설의 지지자들은 열과 전류가 적어도 대략적으로는 가역적인 과정에서 전환 가능하다고 주장하기 위해 Peltier-Seebeck 효과의 대칭성을 쉽게 지적했다.

열의 기계적 등가물

그의 전동 모터를 사용한 추가 실험과 측정은 Joule로 하여금 열의 기계적 등가물을 1그램의 물의 온도를 1 Kelvin만큼 올리는 일의 칼로리당 4.1868 줄로 추정하게 했다. 그는 1843년 8월 Cork에서 영국과학발전협회의 화학부 회의에서 그의 결과를 발표했고 침묵으로 응했다.

Joule은 낙담하지 않았으며 일을 열로 변환하는 순전히 기계적인 시연을 추구하기 시작했다. 물을 천공된 실린더를 통해 강제로 보냄으로써, 그는 유체의 미세한 점성 가열을 측정할 수 있었다. 그는 British thermal unit당 770 foot-pounds force의 기계적 등가물을 얻었다(4,140 J/Cal). 전기적 수단과 순전히 기계적 수단 모두에 의해 얻은 값들이 최소 한 자리 수의 크기에 동의한다는 사실은 Joule에게 일을 열로 전환할 수 있다는 강력한 증거였다.

기계적 힘이 소모되는 곳마다 정확히 동등한 열이 항상 얻어진다.

Joule은 이제 세 번째 경로를 시도했다. 그는 기체를 압축하는 데 수행된 일에 대해 생성된 열을 측정했다. 그는 British thermal unit당 798 foot-pounds force의 기계적 등가물을 얻었다(4,290 J/Cal). 많은 면에서, 이 실험은 Joule의 비평가들을 위한 가장 쉬운 표적을 제공했지만 Joule은 영리한 실험으로 예상된 반박들을 해결했다. Joule은 1844년 6월 20일에 Royal Society에 논문을 읽었지만, 그의 논문은 Royal Society에 의해 발표가 거부되었고 1845년에 Philosophical Magazine에 발표하는 것으로 만족해야 했다. 논문에서 그는 Carnot과 Émile Clapeyron의 열량 추론을 거부하는 데 솔직했으며, 이 거부는 부분적으로 신학적으로 주도된 것이었다:

나는 이 이론이... 인정된 철학 원리에 반대된다고 생각한다. 왜냐하면 그것이 vis viva가 장치의 부적절한 배치에 의해 파괴될 수 있다는 결론으로 이어지기 때문이다: 따라서 Clapeyron씨는 '불의 온도가 보일러의 온도보다 1000°C에서 2000°C 더 높으므로 용광로에서 보일러로의 열의 통과에서 엄청난 vis viva 손실이 있다'는 추론을 도출한다. 파괴할 수 있는 힘이 창조주에게만 속한다고 믿으면서 나는 단정한다... 어떤 이론이든 그것을 실행할 때 힘의 소멸을 요구하는 것은 필연적으로 잘못된 것이다.

Joule은 여기서 vis viva 에너지의 언어를 채택하며, 아마도 Hodgkinson이 1844년 4월 Literary and Philosophical Society에 Ewart의 On the measure of moving force의 검토를 읽었기 때문일 것이다.

Joule은 그의 1844년 논문에서 다음과 같이 썼다:

... magneto-electric 기계를 회전시키는 데 가해지는 기계적 힘은 그 코일을 통해 유도 전류가 통과할 때 발생하는 열로 전환되며; 그리고 한편으로는 전자기 엔진의 동력은 그것을 구동하는 배터리의 화학 반응으로 인한 열의 비용으로 얻어진다.

1845년 6월에 Joule은 Cambridge의 영국과학발전협회 회의에서 On the Mechanical Equivalent of Heat 논문을 읽었다. 이 작업에서 그는 중력이 기계적 일을 수행하는 낙하 무게를 사용하는 그의 가장 잘 알려진 실험을 보고했으며, 절연된 물 배럴에서 패들 휠을 회전시켜 온도를 올렸다. 그는 이제 British thermal unit당 819 foot-pounds force의 기계적 등가물을 추정했다(4,404 J/Cal). 그는 1845년 9월에 발표된 Philosophical Magazine에 편지를 써서 그의 실험을 설명했다.

1850년에 Joule은 British thermal unit당 772.692 foot-pounds force의 정제된 측정을 발표했다(4,150 J/Cal), 20세기 추정치에 더 가까웠다.

수용과 우선순위

Joule의 작업에 대한 초기 저항의 대부분은 극도로 정밀한 측정에 대한 의존성에서 비롯되었다. 그는 화씨 1/200도(3 mK) 이내로 온도를 측정할 수 있다고 주장했다. 그러한 정밀도는 확실히 당대의 실험 물리학에서 드물었지만 그의 의심자들은 양조 기술에 대한 그의 경험과 그 실제적 기술에 대한 그의 접근을 간과했을 수도 있다. 그는 또한 과학 기기 제작자 John Benjamin Dancer에 의해 능숙하게 지원되었다. Joule의 실험은 에너지 개념의 공동 발명자로 여겨지는 Rudolf Clausius의 이론적 작업을 보완했다.

Joule은 열의 운동 이론을 제안했으며, 그는 그것이 회전적이라기보다는 이동적인 운동 에너지의 형태라고 믿었으며, 이는 개념적 도약이 필요했다: 열이 분자 운동의 형태라면, 왜 분자의 운동이 점차적으로 사라지지 않을까? Joule의 아이디어는 분자의 충돌이 완전히 탄성적이라고 믿어야 했다. 우리는 또한 원자와 분자의 매우 존재가 50년 더 널리 받아들여지지 않았다는 것을 기억해야 한다.

오늘날 열량설의 매력을 이해하기 어려울 수 있지만, 당시에는 일부 명확한 장점이 있는 것처럼 보였다. Carnot의 열기관에 대한 성공적인 이론도 열량 가정에 기반했으며, 나중에 Lord Kelvin에 의해 Carnot의 수학이 열량 유체를 가정하지 않고도 동등하게 유효하다는 것이 입증되었다.

그러나 독일에서 Hermann Helmholtz는 Joule의 작업과 Julius Robert von Mayer의 유사한 1842년 작업을 모두 알게 되었다. 비록 두 사람 모두 각각의 출판 이후 무시되었지만, Helmholtz의 결정적인 1847년의 에너지 보존 선언은 둘 다를 인정했다.

또한 1847년에, Oxford의 영국과학발전협회에서 Joule의 또 다른 발표가 George Gabriel Stokes, Michael Faraday, 그리고 재능 있고 독단적인 William Thomson(나중에 Lord Kelvin이 됨)의 참석을 받았으며, 그는 University of Glasgow의 자연철학 교수로 방금 임명되었다. Stokes는 "Joulite가 되기로 경향이 있었으며" Faraday는 의심을 품으면서도 "많이 놀랐다". Thomson은 흥미로웠지만 회의적이었다.

예상치 못하게, Thomson과 Joule은 그 해 늦게 Chamonix에서 만났다. Joule은 1847년 8월 18일에 Amelia Grimes와 결혼했으며 부부는 신혼여행을 떠났다. 혼인의 열정에도 불구하고, Joule과 Thomson은 며칠 후 Cascade de Sallanches 폭포의 상단과 하단 사이의 온도 차이를 측정하는 실험을 시도하도록 준비했지만, 이는 나중에 비실용적임이 증명되었다.

Thomson은 Joule의 결과가 이론적 설명을 요구한다고 느꼈지만, 그는 Carnot-Clapeyron 학파의 활발한 방어로 물러났다. 그의 1848년 절대 온도 설명에서 Thomson은 "열이나 칼로리를 기계적 효과로 전환하는 것은 아마도 불가능하며, 확실히 발견되지 않았다"고 썼지만, 각주는 열량설에 대한 그의 첫 번째 의구심을 신호로 보냈으며, Joule의 "매우 주목할 만한 발견"을 언급했다. 놀랍게도, Thomson은 Joule에게 논문 사본을 보내지 않았지만, Joule이 결국 그것을 읽었을 때 그는 1847년 10월 6일에 Thomson에게 편지를 썼으며, 자신의 연구가 열의 일로의 전환을 입증했지만 추가 실험을 계획하고 있다고 주장했다. Thomson은 10월 27일에 답장했으며, 그가 자신의 실험을 계획하고 있으며 그들의 두 견해의 화해를 희망하고 있음을 공개했다. Thomson은 새로운 실험을 수행하지 않았지만, 다음 2년 동안 그는 Carnot의 이론에 점점 더 불만족하게 되었고 Joule의 것에 확신하게 되었다. 그의 1851년 논문에서 Thomson은 타협 이상으로 가기를 꺼려했으며 "열의 동력에 대한 전체 이론은 각각 Joule, 그리고 Carnot과 Clausius에 의해 제시된 두 명제에 기초한다"고 선언했다.

Joule이 논문을 읽자마자 그는 그의 의견과 질문을 가지고 Thomson에게 편지를 썼다. 따라서 두 남자 사이의 생산적이지만 거의 서신을 통해 이루어진 협력이 시작되었으며, Joule이 실험을 수행하고, Thomson이 결과를 분석하고 추가 실험을 제안했다. 협력은 1852년부터 1856년까지 지속되었으며, 그 발견에는 Joule-Thomson 효과가 포함되었으며, 발표된 결과는 Joule의 작업과 운동 이론의 일반적인 수용을 가져오는 데 많은 도움이 되었다.

운동 이론

운동학은 운동의 과학이다. Joule은 Dalton의 제자였으며 그가 원자 이론에 대한 확고한 신념을 배웠다는 것은 놀라운 일이 아니며, 비록 당시에 여전히 회의적인 많은 과학자들이 있었지만. 그는 또한 기체의 운동 이론에 대한 John Herapath의 무시된 작업에 대해 수용적이었던 몇 안 되는 사람 중 한 명이었다. 그는 또한 Peter Ewart의 1813년 논문 On the measure of moving force에 의해 깊이 영향을 받았다.

Joule은 그의 발견과 열의 운동 이론 사이의 관계를 인식했다. 그의 실험실 노트는 그가 열을 이동적이라기보다는 회전적인 운동의 형태로 믿었음을 나타낸다.

Joule은 Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Count Rumford, 그리고 Sir Humphry Davy의 견해에서