Основні відкриття Джоуля 1. 2. 3. 4. 5. 1841 р. - закон Джоуля-Ленца 1843 р. – відкриття “ механічного еквіваленту теплоти “ 1843 р. - закон збереження енергії 1848 р. – рання кінетична теорія газів 1852 р. - ефект Джоуля-Томсона
Перші досліди Джоуля У 1838 в журналі «Annals of Electricity» з'явилася його стаття з описом електромагнітного двигуна. У 1839 році Джоуль почав ряд експериментів, в яких він досліджував механічну роботу, струм і теплоту. У 1840 році він послав свою роботу "Про утворення Теплоти за допомогою Вольтовского (Гальванічного) Струму" в Королівське Наукове Товариство. В 1840 він виявив ефект магнітного насичення, в 1842 - явище магнитострикції.
Магнитострикція Магнітострикція - явище, що полягає в тому, що при зміні стану намагніченості тіла його об’єм і лінійні розміри змінюються. Ефект відкритий Джоулем в 1842 році і викликаний зміною взаємозв'язків між атомами в кристалічній решітці, і тому властивий всім речовинам. Зміна форми тіла може виявлятися, наприклад, в розтягуванні, стисненні, зміні об’єму, що залежить як від чинного магнітного поля, так і від кристалічної структури тіла. Магнітострикційний ефект є оборотним, тобто при зміні лінійних розмірів тіла під дією зовнішніх сил його магнітні властивості відповідно змінюються.
Закон Джоуля-Ленца Починаючи з 1841 Джоуль займався дослідженням виділення теплоти електричним струмом. У цей час, зокрема, він відкрив закон, незалежно від нього встановлений також Ленцом (1842) (закон Джоуля-Ленца). У своїй роботі він показав, що кількість виробленої теплоти за секунду в проводі з електричним струмом дорівнює квадрату струму (I) помноженого на опір (R) провідника і на час проходження струму (t). Q=I²Rt
Відкриття “ механічного еквіваленту теплоти “ Продовжуючи дослідження в цьому напрямку, Джоуль прийшов до нових важливих результатів, які виклав у роботі "Тепловий ефект магнітоелектрики і механічна цінність теплоти", опублікованій в 1843 р. Насамперед Джоуль досліджував питання про кількість теплоти, що виділяється індукційним струмом. Для цього він помістив дротяну котушку з залізним сердечником в трубку, яка була наповнена водою, і обертав її в магнітному полі, утвореному полюсами магніту. Вимірюючи величину індукційного струму гальванометром, сполученим з кінцями дротяної котушки за допомогою ртутного комутатора, і одночасно визначаючи кількість теплоти, виділеної струмом в трубці, Джоуль прийшов до висновку, що індукційний струм, як і гальванічний, виділяє теплоту, кількість якої пропорційно квадрату сили струму і опору.
Порівнюючи потім кількість виділеної теплоти з теплотою хімічних реакцій, що протікають в гальванічному елементі, Джоуль прийшов до висновку, що "теплота, зумовлена хімічною дією, схильна до збільшення або зменшення" і що "ми маємо агента, здатного звичайним механічним засобом знищувати або порушувати теплоту ". У цих дослідах він вперше визначив механічний еквівалент теплоти (4, 5 Дж/кал в сучасних одиницях). У роботах 1847 -1850 років Джоуль дає ще більш точний механічний еквівалент тепла (424 к. Гм/ккал. ). Їм використовувався металевий калориметр, встановлений на дерев'яній лаві. Усередині калориметра перебувала вісь з розташованими на ній лопостями. На бічних стінках калориметра розташовувалися ряди пластинок, що перешкоджали руху води, але не зачіпали лопаті. На вісь зовні калориметра намотувалася нитку з двома звисаючими кінцями, до яких були прикріплені вантажі. В експериментах вимірювалося кількість теплоти, що виділяється при обертанні осі через тертя. Ця кількість теплоти порівнювався з зміною положення вантажів та силою, що діє на них.
Закон (принцип) збереження енергії Ще до Джоуля експерименти в цій області проводили Карно, Ерстед, Фарадей. Вирішальний крок був зроблений в 1843 р. Джоулем: він зрозумів, що зв'язки, виявлені між виділенням або поглинанням тепла, електрикою і магнетизмом, протіканням хімічних реакцій, а також біологічними об'єктами, носять характер «перетворення» . Ідея перетворення, що спирається на постулат про кількісний збереженні «чогось» при його якісних змінах, узагальнює те, що відбувається при механічному русі. Джоуль визначив загальний еквівалент для фізико-хімічних трансформацій, що дозволило виміряти величину, що зберігається. Згодом ця величина стала відома як «енергія» . Джоуль встановив першу еквівалентність, вимірявши механічну роботу, яку необхідно затратити, щоб підняти температуру даної кількості води на один градус. Так серед приголомшуючого потоку нових різноманітних відкриттів був виявлений уніфікаційний елемент. Збереження енергії при різних перетвореннях, перетерплюємо фізичними, хімічними і біологічними системами, стало дороговказом принципом у дослідженні нових процесів. В ході дослідів Джоуль використовував пристрій, який раніше використовувався ним для визначення механічного еквіваленту теплоти. В ході досліду Джоуль встановив, що “кількість теплоти, яка в змозі нагріти 1 фунт води на 1 градус за Фаренгейтом, одно і може бути перетворено в механічну силу, яка в змозі підняти 838 фунтів на вертикальну висоту в 1 фут”
Принцип збереження енергії, що лежить в основі роботи Джоуля, поклав початок нової наукової дисципліни, відомої як термодинаміка. Незважаючи на те, що Джоуль не був першим ученим, який запропонував цей принцип, він був першим, хто продемонстрував обгрунтованість цього принципу. І хоча Томсон і ряд інших учених пізніше внесли величезний внесок у термодинаміку, Джоуль по праву вважається головним засновником термодинаміки. 3 Принцип збереження енергії Джоуля ліг в основу першого закону термодинаміки. У своїй роботі, що мала величезне значення і опублікованій в 1848 році, Джоуль став першим ученим, який підрахував швидкість (швидкість) молекул газу. Ця рання робота про кінетичної теорії газів була пізніше продовжена іншими вченими, особливо видатним шотландським фізиком Джеймсом Максвеллом. Джоуль був одним з перших учених, який звернув увагу на необхідність в умовних одиницях електрики, і він рішучим чином рекомендував створення таких. Ця стандартизація була пізніше зроблена під керівництвом Максвелла Британською Асоціацією Розвитку Науки. На знак визнання величезного внеску Джоуля у вивчення зв'язку теплоти і механічного руху, одиниця енергії (або роботи) у фізиці була пізніше названа "Джоулем".
Ефект Джоуля-Томсона У 1852 році Джоуль почав працювати разом з Томсоном. Протягом наступних восьми років Джоуль разом з Томсоном працювали над кількома важливими експериментами для підтвердження деяких пророкувань у новій науковій галузі, термодинаміки. Найбільш відомі експерименти стосувалися зниження температури, пов'язаного з розширенням газу без виконання зовнішньої роботи. Це охолодження газів, яке відбувається в міру їх розширення, відоме як "Ефект Джоуля-Томсона". Ефектом Джоуля - Томсона називається зміна температури газу повільному протіканні газу під дією постійного перепаду тисків крізь дросель (пористу перегородку). Даний ефект є одним з методів отримання низьких температур. Цей принцип ліг в основу розвитку холодильної промисловості. Зміна енергії U 2 + Р 2 V 2 = U 1 + Р 1 V 1