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ジェームズ・プレスコット・ジュール（/ dʒuːl /；[ 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。これがエネルギー保存の法則につながり、さらに熱力学第一法則の発展につながった。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。
彼はケルビン卿と協力して絶対熱力学的温度目盛を開発し、それは後にケルビン目盛と呼ばれるようになった。ジュールはまた、磁歪現象の観測を行い、抵抗器を流れる電流と放散される熱量との関係を発見した。これはジュール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年に初めて発表された。
ジェームズ・ジュールは1818年、裕福な醸造業者ベンジャミン・ジュールと妻アリス・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、著名な科学者ジョン・ドルトンから指導を受け、化学者ウィリアム・ヘンリーやマンチェスターのエンジニア、ピーター・ユーワートとイートン・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 ]
成人後、ジュールは醸造所の経営に携わった。科学は彼にとって単なる真剣な趣味だった。1840年頃、彼は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ことの実現可能性を調査し始めた。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学会の会員だった。
彼は、選択の経済性を定量化したいというビジネスマンの欲求と、科学的な探究心に突き動かされ、どちらの原動機がより効率的かを判断しようとした。彼は1841年にジュールの第一法則を発見した。「あらゆる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、電流が受ける伝導抵抗を掛けたものに比例する」[ 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づいた。ジュールは、代替方法の出力を共通の基準、つまり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、フットポンドで捉えた。
しかし、ジュールの関心は、狭い金銭的な問題から、与えられたエネルギー源からどれだけの仕事を引き出せるかという問題へと移り、エネルギーの変換可能性について考察するに至った。1843年、彼は1841年に定量化した加熱効果は、装置の他の部分からの熱伝達ではなく、導体内での熱の発生によるものであることを示す実験結果を発表した。これは、熱は生成も消滅もされないとする熱量理論への直接的な挑戦であった。熱量理論は、1783年にアントワーヌ・ラヴォ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いた。ラヴォアジエの名声と、1824年以来のサディ・カルノーの熱機関の熱量理論の実用的成功により、学界や工学界の外で活動していた若いジュールには、前途多難な道のりが待ち受けていた。熱量理論の支持者たちは、ペルティエ・ゼーベック効果の対称性をすぐに指摘し、熱と電流は少なくとも近似的に可逆的な過程で変換可能であると主張した。
ジュールは、自身の電気モーターを用いたさらなる実験と測定により、熱の機械的当量（1グラムの水の温度を1摂氏または1ケルビン上げるのに必要な仕事）を1カロリーあたり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の化学部門の会合でその結果を発表したが、沈黙で迎えられた。[ 7 ]
ジュールはひるむことなく、仕事が熱に変換されることを純粋に機械的な方法で実証しようと試みた。穴の開いた円筒に水を流し込むことで、流体のわずかな粘性加熱を測定することができた。その結果、1英国熱量単位（4.14 J/cal）あたり770フィートポンドの力に相当する機械的熱量を得た。電気的な方法と純粋に機械的な方法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、ジュールにとって、仕事が熱に変換されるという現実の確かな証拠となった。
機械的な力が加えられる場所では、必ずそれと全く同じ量の熱が得られる。
— JPジュール、1843年8月
ジュールは今度は3つ目の方法を試みた。彼はガスを圧縮する際に発生した熱量を仕事量で測定した。その結果、 1英国熱量単位あたり798フィートポンドの力（4.29 J/cal）に相当する機械的エネルギーが得られた。多くの点で、この実験はジュールの批判者にとって最も容易な標的となったが、ジュールは巧妙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 ]、王立協会は論文の掲載を拒否し、彼は1845年に『フィロソフィカル・マガジン』に論文を掲載することで満足せざるを得なかった[ 10 ]。論文の中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は神学的な動機によるものであった。
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、哲学の認められた原理に反していると私は考えています。例えば、クラペイロン氏は「火の温度はボイラーの温度より1000 ℃から2000 ℃も高いため、炉からボイラーへの熱の伝達において生命力は大きく失われる」と推論しています。破壊する力は創造主のみに属すると信じて、私は、実行時に力の消滅を要求するいかなる理論も、必然的に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）」という言葉を用いているが、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『運動力の尺度について』の書評を読んだためだろう。
1845 年 6 月、ジュールはケンブリッジで開催された英国科学振興協会の会合で、熱の機械的当量に関する論文を発表した。[ 11 ]この論文で、彼は最もよく知られている実験について報告した。この実験では、重力が機械的仕事をする落下する重りを使って、断熱された水の樽の中で水車を回転させ、温度を上昇させた。彼は、熱の機械的当量を819 フィートポンド力/英国熱量単位 (4.404 J/cal)と推定した。彼は、1845 年 9 月に発行された Philosophical Magazine に、この実験について説明した手紙を書いた。[ 12 ]
1850年、ジュールは英国熱量単位あたり772.692フィートポンド力（4.155 J/cal）というより精緻な測定値を発表し、20世紀の推定値に近づいた。[ 13 ]
ジュールの研究に対する当初の抵抗の多くは、極めて精密な測定に依存していたことに起因していた。彼は華氏1/200度（3 mK ）以内の精度で温度を測定できると主張した 。こ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であったが、彼の懐疑論者たちは、彼が醸造の技術に精通していたことや、その実用的な技術にアクセスできたことを見落としていたのかもしれない。[ 14 ]また、彼は科学機器製作者のジョン・ベンジャミン・ダンサーからも手厚い支援を受けていた。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ているルドルフ・クラウジウスの理論的研究を補完するものであった。
ジュールは熱の運動論を提唱していた（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形態だと考えていた）が、これには概念的な飛躍が必要だった。熱が分子運動の一形態であるならば、なぜ分子の運動は徐々に消滅しないのか？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必要があった。重要なことに、原子や分子の存在そのものが広く受け入れられるまでにはさらに50年を要したが、分子、原子、電子の存在に関する重要な研究は、ジョン・ドルトンからアーネスト・ラザフォードに至るまで、19世紀から20世紀初頭にかけて行われていた。ドルトンの著作集は、彼の死後49年後の1893年に出版された。[ 15 ]
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、当時は明確な利点がいくつかあったように思われた。カルノーの成功した熱機関理論もまた熱量仮定に基づいていたが、後にケルビン卿によって、カルノーの数学的理論は熱量流体を仮定しなくても同様に妥当であることが証明された。
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年に発表されたユリウス・ロベルト・フォン・マイヤーの同様の研究の両方を知った。両者ともそれぞれの発表以来忘れ去られていたが、ヘルムホルツが1847年に発表したエネルギー保存の法則の決定的な宣言では、両者に功績が認められた。[ 16 ] [ 17 ]
同じく1847年、オックスフォードの英国科学振興協会で行われたジュールの講演には、ジョージ・ガブリエル・ストークス、マイケル・ファラデー、そして後にケルビン卿となる早熟で型破りなウィリアム・トムソンが出席した。トムソンは当時、グラスゴー大学の自然哲学教授に任命されたばかりだった。ストークスは「ジュール派に傾倒」しており、ファラデーは「大いに感銘を受けた」ものの、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。
トムソンとジュールは、その年の後半にシャモニーで偶然出会った。ジュールは8月18日にアメリア・グライムズと結婚し、二人は新婚旅行に出かけた。結婚の喜びとは裏腹に、ジュールとトムソンは数日後、サランシュ滝の上部と下部の温度差を測定する実験を試みる計画を立てたが、これは後に非現実的であることが判明した。
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ものの、カルノー・クラペイロン学派の熱心な擁護に回帰した。1848年の絶対温度に関する記述の中で、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恐らく不可能であり、確かに未発見である」[ 18 ] [ 19 ]と書いたが、脚注ではジュールの「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最初の疑念を示した。驚くべきことに、トムソンはジュールに論文のコピーを送らなかったが、ジュールが最終的にそれを読んだとき、10月6日にトムソンに手紙を書き、自分の研究で熱が仕事に変換されることが実証されたが、さらなる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、自分も実験を計画しており、2つの見解の和解を望んでいることを明らかにした。トムソンは新たな実験は行わなかったものの、その後2年間でカルノーの理論にますます不満を募らせ、ジュールの理論を確信するようになった。1851年の論文で、トムソンは妥協案に留まり、「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。
ジュールは論文を読むとすぐにトムソンに手紙を書き、自身の意見や疑問を述べた。こうして、ジュールが実験を行い、トムソンがその結果を分析し、さらなる実験を提案するという、主に書簡によるやり取りを中心とする、実り豊かな二人の共同研究が始まった。この共同研究は1852年から1856年まで続き、ジュール＝トムソン効果などの発見があり、発表された研究成果はジュールの研究と運動論の普及に大きく貢献した。
運動学は運動の科学である。ジュールはドルトンの弟子であり、当時多くの科学者が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ことは驚くべきことではない。彼はまた、ジョン・ヘラパスによる気体運動論に関する見過ごされていた研究を受け入れた数少ない人物の一人でもあった。さらに、彼はピーター・ユーワートが1813年に発表した論文「運動力の測定について」から大きな影響を受けた。
ジュールは、自身の発見と熱の運動論との関連性を認識していた。彼の実験ノートからは、熱は並進運動ではなく回転運動の一種であると考えていたことがわかる。
ジュールは、フランシス・ベーコン、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（ラムフォード伯爵）、ハンフリー・デービー卿に自身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化されるものの、ジュールはラムフォードの著作から熱の機械的当量値を1,034フィートポンドと推定した。現代の著述家の中には、ラムフォードの実験は体系的な定量的測定を全く行っていないという理由で、このアプローチを批判する者もいる。ジュールは自身のメモの一つで、メイヤーの測定はラムフォードの測定よりも正確ではないと主張しているが、これはおそらくメイヤーが自身の研究を予見していなかったことを願ってのことだろう。
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夕焼けのグリーンフラッシュ現象を説明したとされているが、実際には彼は現象を説明しようとはせず、最後に見た光景を青緑色と記しただけである。[ 20 ]
ジュールはセールの自宅で亡くなり[ 21 ] 、同地のブルックランズ墓地に埋葬されている。彼が亡くなった町、セールにあるウェザースプーンのパブは、彼にちなんで「JPジュール」と名付けられている。
ジュールの受賞歴と表彰歴には以下が含まれる。
ウェストミンスター寺院の北聖歌隊席通路にはジュールの記念碑があるが、一部の伝記とは異なり、彼はそこに埋葬されていない。[ 23 ]アルフレッド・ギルバート作のジュールの像はマンチェスター市庁舎に立っている。
ジュールは1847年にアメリア・グライムズと結婚した[ 24 ]。彼女は結婚から7年後の1854年に亡くなった[ 25 ]。二人の間には3人の子供がいた。息子ベンジャミン・アーサー・ジュール（1850年～1922年）、娘アリス・アメリア（1852年～1899年）、そして次男ジョー（1854年生まれ、3週間後に死去）である。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）ジェームズ・ジュールの訃報。