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ジェームズ・プレスコット・ジュール | |
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| 生まれる | 1818年12月24日 サルフォード、イギリス |
| 死亡 | 1889年10月11日（70歳） |
| 知られている | |
| 配偶者 |
アメリア・グライムズ
（ 1847年生まれ 、1854年死去 |
| 子供たち | 3 |
| 受賞歴 | |
| 科学者としてのキャリア | |
| フィールド | 物理 |
ジェームズ・プレスコット・ジュール （FRS FRSE / dʒ uː l / ; [1] [2] [a] 1818年12月24日 - 1889年10月11日）は、イギリスの物理学者。ジュールは熱の性質を研究し、熱と機械的仕事の関係を発見した。これによりエネルギー保存の法則が生まれ、さらに熱力学第一法則が発展した。エネルギーのSI単位であるジュール（J）は、彼にちなんで名付けられた。
彼はケルビン卿と共同で絶対的な熱力学的温度スケールを開発し、それがケルビン温度スケールと呼ばれるようになりました。ジュールは磁歪も観察し、抵抗器を流れる電流と放散される熱の関係を発見しました。これはジュールの第一法則とも呼ばれています。彼のエネルギー変換に関する実験は 1843 年に初めて出版されました。
幼少期
ジェームズ・ジュールは1818年、裕福なビール醸造業者ベンジャミン・ジュール（1784年 - 1858年）とその妻アリス・プレスコットの息子として、サルフォードのニュー・ベイリー・ストリートで生まれた。[3]ジュールは若い頃、有名な科学者ジョン・ドルトンに指導を受け、化学者ウィリアム・ヘンリーやマンチェスターの技術者ピーター・エワート、イートン・ホジキンソンから強い影響を受けた。彼は電気に魅了され、兄弟と共に互いに、また家族の使用人に電気ショックを与える実験を行った。[4]
大人になったジュールは、ビール醸造所の経営に携わった。科学は単なる真剣な趣味だった。1840年ごろ、彼はビール醸造所の蒸気機関を新しく発明された電気モーターに置き換える可能性について調査を始めた。このテーマに関する彼の最初の科学論文は、ウィリアム・スタージョンの『電気の年報』に寄稿された。ジュールは、スタージョンらが設立したロンドン電気協会の会員だった。 [要出典]
選択の経済性を定量化したいというビジネスマンとしての願望と、科学的な探究心から、彼はどちらの原動機がより効率的かを見極めようとした。1841年に彼はジュールの第一法則を発見した。それは「いかなる電流の適切な作用によって発生する熱も、その電流の強さの2乗に、電流が受ける伝導抵抗を乗じたものに比例する」というものだった。[5]彼はさらに、蒸気機関で1ポンドの石炭を燃やす方が、電気バッテリー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づいた。ジュールは、代替方法の出力を、1ポンドの質量を1フィートの高さまで持ち上げる能力、つまりフィートポンドという共通の基準で捉えた。[要出典]
しかし、ジュールの関心は狭い経済的問題から、与えられた資源からどれだけの仕事を引き出せるかという問題に移り、エネルギーの変換可能性について思索するようになった。1843年に彼は、1841年に定量化した加熱効果が導体内での熱生成によるものであり、装置の他の部分からの熱の伝達によるものではないことを示す実験結果を発表した。これは、熱は生成も破壊もできないとする熱量理論に対する真っ向からの挑戦であった。熱量理論は、1783年にアントワーヌ・ラボアジエによって提唱されて以来、熱科学の考え方を支配してきた。ラボアジエの名声と、1824年以来のサディ・カルノーの熱機関の熱量理論の実際的な成功により、学問の世界や工学の専門家の外で研究していた若きジュールの前途は困難を極めた。熱量理論の支持者は、ペルチェ・ゼーベック効果の対称性を指摘し、熱と電流は少なくとも近似的には可逆的なプロセスで変換可能であると主張した。[要出典]
熱の機械的等価物
ジュールは、電気モーターのさらなる実験と測定により、1グラムの水の温度を1ケルビン上げるのに必要な熱の機械的当量を、 1カロリーの仕事あたり4.1868ジュールと推定した。 [b]彼は1843年8月にコークで開催された英国科学振興協会化学部門の会議でこの結果を発表したが、沈黙に包まれた。[7]
ジュールはひるむことなく、仕事が熱に変換されるという純粋に機械的な実証を模索し始めました。穴のあいた円筒に水を通すことで、液体のわずかな粘性加熱を測定できました。彼は、英国熱量単位あたり 770 フィートポンド力 (4,140 J/Cal) の機械的等価値を得ました。電気的手段と純粋に機械的な手段の両方で得られた値が少なくとも 2 桁の有効数字で一致したという事実は、仕事が熱に変換可能であるという現実の説得力のある証拠でした。
機械的な力が費やされるところでは、常に正確に等価な熱が得られます。
— JP ジュール、1843 年 8 月
ジュールはここで3つ目の方法を試した。ガスを圧縮する際に行われた仕事に対して発生した熱を測定した。その結果、イギリス熱量単位あたり798フィートポンドの力（4,290 J/Cal）という機械的等価値を得た。この実験は多くの点でジュールの批判者にとって最も容易な標的となったが、ジュールは巧みな実験によって予想された反論を退けた。ジュールは1844年6月20日に王立協会で論文を発表したが[8] [9]、王立協会は彼の論文の掲載を拒否し、1845年に哲学雑誌に掲載されることに甘んじなければならなかった。 [10]この論文で彼はカルノーとエミール・クラペイロンの熱量論を率直に否定したが、その否定は部分的に神学的な理由によるものであった。[要出典]
この理論は、装置の不適切な配置によって生命力が破壊される可能性があるという結論に至るため、哲学の公認原則に反するものであると私は考えています。したがって、クラペイロン氏は、「火の温度はボイラーの温度よりも 1000 °C から 2000 °C 高いため、炉からボイラーへの熱の伝達で生命力が大量に失われる」という推論を導き出しています。破壊する力は創造主のみに属すると信じているため、私は、実行時に力の消滅を要求する理論は必ず誤りであると断言します。
ジュールはここでvis viva (エネルギー)という表現を採用しているが、これはおそらくホジキンソンが1844 年 4 月に文学哲学協会でエワートの『運動力の測定について』の書評を読んでいたためだろう。 [引用が必要]
1845年6月、ジュールはケンブリッジの英国協会で「熱の機械的当量について」という論文を発表しました。[11]この論文で、彼は最もよく知られた実験について報告しました。それは、重力が機械的仕事をする落下する重りを使って、断熱された樽の水の中で外輪を回転させて温度を上昇させるという実験です。彼はここで、英国熱量単位あたり819フィートポンドの力（4,404 J/Cal）の機械的当量を推定しました。彼は1845年9月に出版された哲学雑誌に、実験について書いた手紙を書きました。[12]
1850年にジュールは、1英国熱量単位あたり772.692フィートポンド力（4,150 J/Cal）という20世紀の推定値に近い、より正確な測定値を発表しました。[13]
受付と優先順位
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ジュールの研究に対する当初の抵抗の多くは、それが極めて正確な 測定に依存していたことに起因していた。彼は温度を華氏1/200度（3mK）以内で測定できると主張した。そのような精度は当時の実験物理学では確かに珍しいものだったが、彼を疑う人々は彼の醸造技術の経験とその実用的な技術へのアクセスを無視していたのかもしれない。[14]彼はまた、科学機器メーカーのジョン・ベンジャミン・ダンサーの優れた支援を受けた。ジュールの実験は、エネルギー概念の共同発明者とみなされるルドルフ・クラウジウスの理論的研究を補完するものである。[要出典]
ジュールは熱の運動理論を提唱していた（彼は熱を並進運動エネルギーではなく回転運動エネルギーの一種であると信じていた）が、これには概念的な飛躍が必要だった。熱が分子運動の一種であるならば、なぜ分子の運動は徐々に消えてなくなるのか？ジュールの考えでは、分子の衝突は完全に弾性的であると信じることが必要だった。重要なのは、原子と分子の存在そのものが、さらに50年間広く受け入れられなかったことだ。[要出典]
今日では熱量理論の魅力を理解するのは難しいかもしれないが、当時は明らかな利点があるように思われた。カルノーの成功した熱機関理論も熱量仮定に基づいていたが、カルノーの数学は熱量流体を仮定しなくても同様に有効であることが、後になってケルビン卿によって証明された。[要出典]
しかし、ドイツではヘルマン・ヘルムホルツがジュールの研究と、1842年にユリウス・ロベルト・フォン・マイヤーが行った同様の研究の両方を知りました。両者はそれぞれの論文を発表して以来無視されていましたが、ヘルムホルツが1847年に発表したエネルギー保存則の決定的な宣言によって、両者の功績が認められました。[要出典]
1847 年、オックスフォードの英国協会で行われたジュールの別の発表には、ジョージ・ガブリエル・ストークス、マイケル・ファラデー、そしてグラスゴー大学の自然哲学教授に任命されたばかりの早熟で異端のウィリアム・トムソン(後にケルビン卿となる) が出席した。ストークスは「ジュール派の傾向」があり、ファラデーは「それに大いに感銘を受けた」が、疑念を抱いていた。トムソンは興味をそそられたものの懐疑的だった。[要出典]
予想外だったが、トムソンとジュールはその年の後半にシャモニーで出会った。ジュールは8月18日にアメリア・グライムズと結婚し、2人は新婚旅行に出かけた。結婚への熱意にもかかわらず、ジュールとトムソンは数日後にカスケード・ド・サランシュの滝の上部と下部の温度差を測定する実験を試みる予定だったが、後にこれは非現実的であることが判明した。[要出典]
トムソンはジュールの結果には理論的な説明が必要だと感じていたが、カルノー・クラペイロン学派を熱心に擁護した。1848年の絶対温度に関する記述で、トムソンは「熱（またはカロリック）を機械的効果に変換することはおそらく不可能であり、確実に未発見である」と書いた[15] [16]。しかし、脚注でジュールの「非常に注目すべき発見」に言及し、カロリック理論に対する彼の最初の疑念を示した。驚いたことに、トムソンはジュールに論文のコピーを送っていなかったが、ジュールが最終的にそれを読んだ後、10月6日にトムソンに手紙を書き、自分の研究で熱から仕事への変換が実証されたが、さらに実験を計画していると主張した。トムソンは27日に返信し、自分自身の実験を計画していることを明らかにし、2人の見解の和解を望んでいると述べた。トムソンは新しい実験を行わなかったが、その後 2 年間でカルノーの理論にますます不満を抱き、ジュールの理論を確信するようになった。1851 年の論文で、トムソンは妥協以上のことはせず、「熱の動力に関する理論全体は、それぞれジュールとカルノーおよびクラウジウスによる 2 つの命題に基づいている」と宣言した。[引用が必要]
ジュールは論文を読むとすぐに、トムソンにコメントと質問を書いた。こうして、2人の間で実りある、しかし主に書簡形式の共同研究が始まった。ジュールが実験を行い、トムソンがその結果を分析してさらなる実験を提案した。この共同研究は1852年から1856年まで続き、その成果にはジュール・トムソン効果などがあり、発表された結果はジュールの研究と運動論の一般的な受容に大きく貢献した。[要出典]
運動理論
運動学は運動の科学です。ジュールはドルトンの弟子であり、当時の多くの科学者がまだ懐疑的であったにもかかわらず、彼が原子論を固く信じていたのは驚くことではありません。彼はまた、ジョン・ヘラパスの気体の運動理論に関する無視された研究を受け入れた数少ない人物の一人でもありました。彼はさらに、ピーター・エワートの 1813 年の論文「運動力の測定について」に深く影響を受けました。[要出典]
ジュールは、自身の発見と熱の運動理論との関係を理解していた。彼の実験ノートには、熱は並進運動ではなく回転運動の一種であると信じていたことが記されている。[要出典]
ジュールは、フランシス・ベーコン、アイザック・ニュートン卿、ジョン・ロック、ベンジャミン・トンプソン（ランフォード伯爵）、ハンフリー・デービー卿に自分の見解の先例を見出さずにはいられなかった。こうした見解は正当であるが、ジュールはランフォードの出版物から熱の機械的当量を 1,034 フィートポンドと推定した。現代の著述家の中には、ランフォードの実験が体系的な定量的測定をまったく表していないとしてこのアプローチを批判する者もいる。ジュールは個人的なメモの 1 つで、マイヤーの測定はランフォードの測定よりも正確ではなかったと主張しているが、これはおそらくマイヤーが自分の研究を予期していなかったという期待からだろう。[出典が必要]
ジュールは1869年にマンチェスター文学哲学協会に宛てた手紙の中で日没時のグリーンフラッシュ現象を説明したとされているが、実際には彼は（スケッチで）最後の一瞥を青緑色として記録しただけで、現象の原因を説明しようとはしなかった。[17]
出版作品
- 「電気分解中に金属電気導体および電池セルで発生する熱について」。哲学雑誌。19 (124): 260. 1841. doi : 10.1080/14786444108650416。
- 「磁気電気の熱量効果と熱の機械的価値について」。哲学雑誌。3. 23 (154): 435–443。1843。doi :10.1080/14786444308644766。
- 「空気の希薄化と凝縮によって生じる温度変化について」。ロンドン王立協会紀要。5 :517-518。1844年。doi : 10.1098/rspl.1843.0031。
- 「空気の希薄化と凝縮によって生じる温度変化について」。哲学雑誌。3. 26 (174): 369–383。1845. doi :10.1080/14786444508645153。
- 「熱の機械的等価性について」英国科学振興協会への通知と通信の要約。15。1845b 。1845 年 6 月、ケンブリッジの英国協会で朗読されました。
- 「熱と通常の機械的動力形態との間の等価関係の存在について」。哲学雑誌。3. 27 ( 179): 205–207。1845c。doi :10.1080/14786444508645256。
- 「熱の機械的等価性について」。ロンドン王立協会哲学紀要。140 :61-82。1850年。doi : 10.1098/rstl.1850.0004。
- ジェームズ・プレスコット・ジュールの科学論文。ロンドン：物理学会。1884年。OL 239730M。
- 共同科学論文。ロンドン：テイラー・アンド・フランシス。1887年。
-
「科学論文」第 1 巻および第 2 巻 -
「科学論文」第 1 巻の表紙 -
「科学論文」第1巻への序文 -
「The Scientific Papers」第 1 巻の図
栄誉
ジュールはセール[18]の自宅で亡くなり、ブルックランズ墓地に埋葬されている。彼の墓石には「772.55」という数字が刻まれている。これは1878年に彼が行った熱の機械的当量の測定結果であり、海面で1ポンドの水の温度を100℃から150℃に上げるには、この量のフィートポンドの仕事が必要であることを発見した。60°Fから61 °F 。ヨハネによる福音書からの引用もある。「わたしは、わたしを遣わした方のわざを、昼の間に行わなければならない。夜が来ると、だれも働けなくなる。」[19]彼が亡くなった町、セールのウェザースプーン・パブは、彼にちなんで「JP・ジュール」と名付けられている。
ジュールの数々の栄誉と表彰には以下のものがあります:
- 王立協会会員（1850）
- マンチェスター文学哲学協会会長（1860年）
- 英国科学振興協会会長（1872年、1887年）
- スコットランド技術者・造船協会名誉会員[20]（1857）
- 名誉学位:
- ダブリン大学トリニティ・カレッジ法学博士（1857年）
- DCL、オックスフォード大学（1860）
- エディンバラ大学法学博士（1871）
- ジュールは1878年に科学への貢献により年間200ポンドの公民年金を受け取った。
- 王立芸術協会のアルバート・メダル（1880年）、「非常に骨の折れる研究の末、熱、電気、機械作業の真の関係を確立し、それによって技術者に科学を産業活動に応用するための確かな指針を与えた」
ウェストミンスター寺院の北側廊にはジュールの記念碑があるが[21]、伝記によっては埋葬されていないとされている。アルフレッド・ギルバート作のジュールの像がマンチェスター市庁舎のダルトン像の向かいに立っている。
家族
ジュールは 1847 年にアメリア・グライムズと結婚しました。彼女は結婚から 7 年後の 1854 年に亡くなりました。2 人の間には 3 人の子供がいました。息子のベンジャミン・アーサー・ジュール (1850 年 - 1922 年)、娘のアリス・アメリア (1852 年 - 1899 年)、次男のジョー (1854 年生まれ、3 週間後に死亡) です。
参照
参考文献
脚注
- ^ OED：「この名前の人の中には、自分たちを . (dʒaʊl)と呼んだり、(dʒəʊl) [ / dʒ oʊ l /のOED形式] と呼んだりする人もいますが、JP Joule（および少なくとも彼の親族の一部）が(dʒuːl)を使用していたことはほぼ確実です。」
- ^ ジュールの単位1 ft lbf/Btuは5.3803 × 10 −3 J/cal。したがってジュールの推定値は4.15 J/calであり、20世紀初頭に受け入れられた値と比較すると、4.1860 J/cal [6]
引用
- ^ マレー1901年、606ページ。
- ^ アレン1943年、354ページ。
- ^ 2006年人物索引。
- ^ 「今月の物理学史：1840年12月：ジュールの機械的動力を熱に変換することに関する概要」。
- ^ ジュール1841、260ページ。
- ^ ゼマンスキー1968年、86ページ。
- ^ ジュール 1843 年、263、347、435 ページ。
- ^ ジュール1844年。
- ^ ジュール1884年、171ページ。
- ^ ジュール1845、369-383頁。
- ^ ジュール1845b、31ページ。
- ^ ジュール1845c、pp.205–207。
- ^ ジュール1850、61-82頁。
- ^ シブム 1995年。
- ^ トムソン 1848年。
- ^ トムソン 1882年、100-106頁。
- ^ ジュール1884年、606ページ。
- ^ GRO 死亡記録: 1889 年 12 月 8a 121 アルトリンチャム – ジェームズ・プレスコット・ジュール
- ^ ヨハネ9:4
- ^ キャメロン、スチュアートD（nd）。「名誉会員およびフェロー」スコットランド技術者・造船業者協会。 2019年9月17日閲覧。
- ^ ホール1966年、62ページ。
出典
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- エディンバラ王立協会元会員の略歴索引 1783-2002 (PDF)。エディンバラ王立協会。2006 年 7 月。ISBN 0-902-198-84-X. 2013年1月24日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。2017年2月1日閲覧。
- カードウェル、ドナルド SL (1991)。ジェームズ・ジュール伝記。マンチェスター大学出版局。ISBN 978-0-7190-3479-4。
- ホール、アルフレッド・ルパート(1966)。『アビーの科学者たち』。R. & R. ニコルソン。
- マレー、ジェームズ・オーガスタス・ヘンリー（1901年）。歴史的原理に基づく新しい英語辞典。主に文献学会が収集した資料に基づいている。オックスフォード：クラレンドン。
- Sibum, HO (1995). 「熱の機械的価値の再考: 初期ビクトリア朝イングランドにおける精密機器と正確さのジェスチャー」.科学史哲学研究. 26 (1): 73–106. Bibcode :1995SHPSA..26...73S. doi :10.1016/0039-3681(94)00036-9.
- トムソン、ウィリアム (1848)。「カルノーの熱動力理論に基づき、ルグノーの観察から計算された絶対温度測定スケールについて」。哲学ジャーナル。
- トムソン、ウィリアム (1882)。数学および物理学論文。ケンブリッジ:大学出版局。
- ゼマンスキー、マーク W (1968)。熱と熱力学: 中級教科書(第 5 版)。ニューヨーク: McGraw-Hill。OCLC 902055813。
さらに読む
- Bottomley, JT (1882). 「ジェームズ・プレスコット・ジュール」. Nature . 26 (678): 617–620. Bibcode :1882Natur..26..617B. doi : 10.1038/026617a0 .
- フォレスター、 J . (1975)。「化学とエネルギー保存則：ジェームズ・プレスコット・ジュールの研究」。科学史と科学哲学の研究。6 (4): 273–313。Bibcode : 1975SHPSA ...6..273F。doi :10.1016/0039-3681(75)90025-4。
- フォックス、R、「ジェームズ・プレスコット・ジュール、1818-1889」、ノース、J. (1969) 。19世紀半ばの科学者。エルゼビア。pp. 72-103。ISBN 0-7190-3479-5。
- グレイズブルック、リチャード・テトリー (1892)。。リー、シドニー(編)。英国人名辞典。第 30 巻。ロンドン: スミス・エルダー & カンパニー。
- レイノルズ、オズボーン (1892)。ジェームズ・プレスコット・ジュールの回想録。第6巻。マンチェスター、イギリス：マンチェスター文学哲学協会。 2014年3月5日閲覧。
- スミス、C. (1998)。『エネルギーの科学：ビクトリア朝イギリスにおけるエネルギー物理学の文化史』ロンドン：ハイネマン。ISBN 0-485-11431-3。
- スミス、クロスビー (2011 年1月 6 日)。「ジュール、ジェームズ プレスコット」。オックスフォード国立人名辞典(オンライン版)。オックスフォード大学出版局。doi :10.1093/ref:odnb/15139。 (定期購読または英国の公共図書館の会員登録が必要です。)
- スミス、C.; ワイズ、MN (1989)。エネルギーと帝国：ケルビン卿の伝記研究。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-26173-2。
- ステフェンス、HJ (1979)。ジェームズ・プレスコット・ジュールとエネルギーの概念。ワトソン。ISBN 0-88202-170-2。
- ウォーカー、ジェームズ (1950)。物理学第 4 版。ピアソン。ISBN 978-0-321-54163-5。
- 「死亡記事：ジュール博士」。電気技師（10月18日）。ロンドン：ビッグス＆カンパニー：311-312。1889年。
ジェームズ・ジュール死亡記事。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには
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Wikiquote にJames Prescott Jouleに関する引用があります。
ウィキソースには、ジェームズ・プレスコット・ジュールに関する原著作品があります。
- ロンドンのナショナル ポートレート ギャラリーにあるジェームズ プレスコット ジュールの肖像画
- ジェームズ・プレスコット・ジュールの科学論文（1884年） - ジュールによる注釈付き
- ジェームズ・プレスコット・ジュールの共同科学論文（1887年） - ジュールによる注釈付き
- ChemTeam ウェブサイトの 1845 年と 1847 年の古典論文「熱の機械的等価性について」および「熱と通常の機械的動力の形態との間の等価関係の存在について」
- ロンドン科学博物館にあるジュールの水摩擦装置
- 熱と弾性流体の構成に関するいくつかの考察、1851年のジュールのガス分子の速度の推定
- マンチェスター大学図書館のジュール写本。
- マンチェスター大学のジュールに関する資料 - ジュールの家と墓地の写真を含む
- サルフォード大学ジュール物理学研究所
