Холодильник Эйнштейна

Летом 1843 года, надеясь привлечь внимание к своему открытию, Джоуль приехал в город Корк на южном побережье Ирландии для участия во встрече Британской ассоциации содействия развитию науки (BAAS). Ассоциацию десятью годами ранее основали британские ученые, недовольные высокомерием и консерватизмом Королевского общества. На первой встрече ассоциации был предложен термин scientist (“ученый”), которым можно было обозначать всех, кто занимается “познанием материального мира”. Достаточно высоко оценив работу Джоуля, члены BAAS пригласили его рассказать о механическом эквиваленте теплоты, однако, как он впоследствии отметил, “тема не вызвала у собравшихся особенного интереса”. Почему? Во-первых, не входивший в число членов ассоциации Джоуль опровергал теорию теплорода, которую многие считали устоявшейся. Во-вторых, ему недоставало харизмы. Его одежда была “предельно заурядна”, манера держаться казалась “нервной”, а сам “он был лишен природной грации” и “не слишком хорошо умел говорить”. Даже излагая доказательства одной из важнейших идей в науке, Джоуль не мог достучаться до слушателей. На следующий год он представил еще одну статью на рассмотрение Королевского общества. И снова ему отказали в публикации.

Несмотря на неудачи, Джоуль продолжал работу, желая обосновать взаимопревращаемость теплоты и работы. Следующим шагом к этому стал его самый известный и самый простой в концептуальном отношении эксперимент. Продемонстрировав ранее, что работу можно преобразовывать в теплоту, используя электричество в качестве посредника, теперь Джоуль хотел показать, что электричество задействовать не обязательно, поскольку преобразование может происходить и напрямую. Для этого он оттолкнулся от повсеместно наблюдаемого факта, что при трении двух объектов друг о друга вырабатывается теплота. Чтобы укрепить свои позиции, ему нужно было продемонстрировать, что в ходе этого процесса работа преобразуется в теплоту по тому же “обменному курсу”, который был измерен в экспериментах с динамо-машиной.

При подготовке эксперимента Джоуль вдохновлялся машинами, знакомыми любому пивовару, — резервуарами, в которых на этапе ферментации с помощью манипулятора перемешиваются жидкая мульча хмеля и ячмень. Созданный Джоулем аппарат был гораздо меньше по размеру. Джоуль изготовил металлический цилиндр около 1 фута высотой и 8 дюймов (0,2 м) диаметром. Затем он наполнил его водой и поместил внутрь “крыльчатку” — вращающийся механизм для перемешивания воды. Джоуль полагал, что сила трения, возникающая между лопастями крыльчатки и водой, в которой они двигались, будет вырабатывать теплоту, повышая температуру воды. Как и в эксперименте с динамо-машиной, он с помощью веревки и блоков соединил ось крыльчатки с опускающимся грузом. Таким образом, опускаясь, груз поворачивал крыльчатку, что, в свою очередь, нагревало воду. В результате Джоуль мог приравнять повышение температуры воды к выполненной работе по опусканию груза определенной массы на определенную высоту.

Возникал вопрос, как точнее всего измерить повышение температуры воды. Термометр Джоуля представлял собой ртутный столбик в тонкой стеклянной трубке, который расширялся и сжимался при нагревании и охлаждении. Приступив к экспериментам, Джоуль понял, что даже при активном вращении вода нагревается менее чем на 1 °F. Хотя этого было достаточно, чтобы ртуть расширилась, повышение ее уровня было едва заметно вооруженным глазом и слишком мало, чтобы подтвердить величину механического эквивалента теплоты.

К счастью, в середине 1840-х годов Джоуль познакомился с манчестерским изготовителем линз и очков Джоном Бенджамином Дансером, который прославился изобретением технологии микрофотографии. Она предполагала печать крошечных изображений площадью около 1 квадратного миллиметра на фрагментах фотографической бумаги. На них смотрели через микроскопы конструкции Дансера, которые позволяли увидеть запечатленное изображение. Хотя микрофотография не ставила перед собой научной задачи — на снимках было многое, от Десяти заповедей до собора Святого Павла, — Джоуль понял, что технология поможет ему разглядеть маленькие детали. Он заказал у Дансера термометр, который с помощью увеличительного стекла позволил ему наблюдать за мельчайшими движениями тонкого столбика ртути и проводить точные измерения.

Термометры Дансера, по словам Джоуля, дали ему возможность определять температуру с точностью до одной десятой градуса по шкале Фаренгейта и даже точнее. При использовании в эксперименте с аппаратом с крыльчаткой их показания подтвердили выводы, сделанные по итогам опытов Джоуля с динамо-машиной. В них он оценил механический эквивалент теплоты в 831 фут-фунт. Новый эксперимент дал цифру 781,5 фут-фунта. Джоуль повторил эксперимент, наполнив цилиндр кашалотовым жиром, и получил сходный результат — 781,8 фут-фунта.