Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря, 1818 года в английском городке Салфорде, расположенном вблизи Манчестера. Он был вторым из пяти детей в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. В детстве Джоуль был слабым и стеснительным ребёнком, у которого были проблемы с позвоночником. Эти обстоятельства, ограничивающие его активность, стали причиной того, что он предпочёл науку физической деятельности. Несмотря на то, что позже проблема с позвоночником уже не так беспокоила его, это отразилось на всей его жизни.

До пятнадцати лет Джоуль обучался дома. Затем он стал работать на пивоваренном заводе, принадлежащем его семье. Тем не менее, он и его старший брат продолжали брать частные уроки в Манчестере.

С 1834 по 1837 год, известный английский химик Джон Далтон преподавал им химию, физику, научный метод и математику (как и , Далтон был христианином, верующим в Библию). Джоуль с благодарностью признавал, что Далтон сыграл основную роль в том, что он стал учёным. «Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований» - говорил Джоуль.

Когда их отец заболел, Джеймс Джоуль и его брат начали заниматься делами на пивоваренном заводе, поэтому у Джеймса не было возможности посещать университет. Но, несмотря на это, его заветным желанием было продолжать изучать науку, и поэтому он создал у себя дома лабораторию, в которой и начал проводить свои эксперименты каждый день до и после работы. Джеймс Джоуль рассматривал своё желание изучать науку как естественный результат своей христианской веры. Как он позже писал, «это очевидно, что познание законов природы означает не меньше, чем ознакомление с Божьим разумом, выраженным в этих законах» .

Джеймс джоуль был большим сторонником экспериментов

В 1839 году Джеймс Джоуль начал ряд экспериментов, в которых он исследовал механическую работу, электричество и теплоту. В 1840 году он послал свою работу "Об образовании Теплоты с помощью Вольтовского (Гальванического) Электричества" в Королевское Научное Общество в Лондоне - наверное, самое престижное общество британских учёных.

В своей работе Джеймс Джоуль показал, что количество производимой теплоты за секунду в проводе с электрическим током равно квадрату тока (I) умноженного на сопротивление (R) провода. (Это выражено формулой, P=I²R.) Эта зависимость известна как закон Джоуля (Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока ). Работа Джоуля не вызвала большого энтузиазма в Королевском Научном Обществе, и было опубликовано лишь краткое изложение полученных им данных.

В 1843 году Джоуль вычислил количество механической работы, которое необходимо для образования эквивалентного количества теплоты. Эта величина была названа "механическим эквивалентом теплоты". Он снова передал данные своих наблюдений на рассмотрение - но на этот раз Британской Ассоциации Развития науки. И опять его работа не вызвала восторженной реакции. Несколько ведущих научных журналов также отказались опубликовать данные исследований Джоуля.

Многие учёные сомневались, стоит ли принимать его работу, но Джоуль терпеливо отстаивал свои позиции. Очень часто требуется время для того, чтобы новые идеи получили своё признание, особенно если автором этих идей является непрофессионал в данной области. Данные, полученные Джоулем, бросали вызов калорической теории, которой придерживалось большинство физиков того времени. Согласно той теории, теплота считалась жидким веществом.

Другим камнем преткновения для принятия результатов исследований Джоуля было то, что учёным было трудно поверить в невероятную точность его измерений. Но в своих экспериментах Джоуль проявлял упорство и изобретательность. Эти свойства его характера очень помогли ему избежать ошибок и получить гораздо более точные результаты по сравнению с результатами предыдущих экспериментов.

Важное одобрение

Работе Джоуля относительно теплоты, электричества и механической работы не придавали большого значения вплоть до 1847 года. На его работу обратил внимание Вильям Томсон. (Томсон, который позже стал известен как лорд Кельвин, был известным учёным и посвященным христианином).

Несмотря на то, что в то время ему было всего лишь 23 года, Томсон уже был Профессором Физики при Университете в Глазго. Томпсон признал, что работа Джоуля вписывалась в объединяющую модель, которая уже тогда начинала появляться в физике, и он с восторгом одобрил работу Джоуля. (Фактически, работа Джоуля сделала существенный вклад в процесс объединения отдельных разделов физики.)

Другими учёными, которые с энтузиазмом одобрили работу Джоуля, были Майкл Фарадей и Джордж Стоукс. Они также были христианами. Одобрение нескольких выдающихся учёных открыло дверь для Джоуля, которая раньше была для него закрытой. Королевское Научное Общество готовилось пересмотреть своё отношение к работе Джоуля. В 1849 году, на слушании Королевского Научного Общества Джоуль прочитал свою работу под названием "О механическом Эквиваленте Теплоты" вместе с Фарадеем, который был его поручителем. В следующем году Королевское Научное Общество опубликовало материалы Джоуля, и он был избран членом этого престижного общества.

Новая научная дисциплина - Термодинамика

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе работы Джоуля, положил начало новой научной дисциплине, известной как термодинамика. Несмотря на то, что Джоуль не был первым учёным, который предложил этот принцип, он был первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа. И хотя Томсон и ряд других учёных позже внесли огромный вклад в термодинамику, Джоуль по праву считается главным основателем понятия . Он показал, что " работа может превращаться в теплоту с четким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу" .

Принцип сохранения энергии Джоуля лёг в основу первого закона термодинамики. Этот закон говорит о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но её можно изменять из одной формы в другую.

Исаак Азимов назвал этот закон "одним из самых важных обобщений в истории науки" . Это значит, что общее количество энергии (включая материю) во Вселенной постоянно. Как С.M. Хьюз отметил в своей книге «Крах Эволюции» : «Этот закон решительным образом показывает, что вселенная не сотворила себя! … Существующая структура Вселенной является результатом сохранения, а не нововведения, как этого требует теория эволюции».

Пока эволюционисты не могут объяснить, как образовалось это постоянное количество энергии/материи*, Библия даёт нам такое объяснение:только Бог может создавать из ничего. Святое Писание также говорит о том, что Бог поддерживает Своё творение. Все другие изменения, которые произошли в результате человеческих усилий, или сил природы, являются просто перестройкой того, что уже существует.

Джоуль хорошо понимал религиозное значение его открытий. Он писал, что "совершенно абсурдно полагать, что можно уничтожить силы, которыми Бог наделил материю, более, чем они могут быть созданы человеческой деятельностью". Закон сохранения энергии полностью соответствовал Библии, тогда как, по мнению Джоуля, некоторые аспекты калорической теории противоречили Библии.

В другом месте Джоуль писал, что «явления природы, независимо от того, механические ли, химические или жизненные, почти полностью заключаются в постоянном превращении … одних в другие. Таким образом, это значит, что во вселенной сохраняется порядок - ничего не нарушается, ничего никогда не теряется, но целый механизм, настолько сложный каков он есть, работает равномерно и гармонично… всё существующее управляется суверенной волей Бога»

Знаменитая работа Джоуля

В своей работе, имевшей огромное значение и опубликованной в 1848 году, Джоуль стал первым учёным, который подсчитал быстроту (скорость) молекул газа. Эта ранняя работа о кинетической теории газов была позже продолжена другими учёными, в особенности выдающимся шотландским физиком Джеймсом Максвеллом (ещё один посвященный христианин).

Джеймс Джоуль был одним из первых учёных, который обратил внимание на необходимость в условных единицах электричества, и он решительным образом рекомендовал создание таковых. Эта стандартизация была позже сделана под руководством Максвелла Британской Ассоциацией Развития Науки. В 1872 году Джоуль стал Президентом Британской Ассоциации и находился на этой должности до 1887 года.

В знак признания огромного вклада Джоуля в изучение связи теплоты и механического движения, единица энергии (или работы) в физике была позже названа "Джоулем".

Эффект Джоуля-Томсона

В 1852 году Джоуль начал работать вместе с Томсоном. Эти два учёных идеально дополняли друг друга - Джоуль, точный и изобретательный экспериментатор, которому не доставало лишь более углубленных знаний в математике, и Томсон, талантливый физик, сильный в математике, который занимался развитием теории, лежащей в основе физики.

К сожалению, в 1854 году после шести лет брака жена Джоуля умерла, и он остался один с маленькими детьми. Вскоре после этого семья Джоуля продала пивоваренный завод. В то время Джоуль жил относительно уединенно. Именно тогда он смог больше времени посвящать научной работе.

На протяжении следующих восьми лет Джоуль вместе с Томсоном работали над несколькими важными экспериментами для подтверждения некоторых предсказаний в новой научной области, термодинамике. Наиболее известные эксперименты касались снижения температуры, связанного с расширением газа без выполнения внешней работы. Это охлаждение газов, которое происходит по мере их расширения, известно как "Эффект Джоуля-Томсона". Этот принцип лёг в основу развития холодильной промышленности.

Талантливый экспериментатор

Во время совместной работы с Томсоном Джоуль кротко взялся за практическую роль экспериментального исследования теоретических проблем, поднимаемых Томсоном. Это была менее престижная роль в плодотворном сотрудничестве, но Джоуля больше интересовало достижение важных результатов, чем получение признания.

Однако следует помнить, что Джоуль и сам уже ранее внёс огромный теоретический вклад. Как говорит Х.Д. Стеффенс, описывая биографию Джоуля: «Несомненно, он был больше, чем "просто замечательный экспериментатор". Его эксперименты отображали и придали форму его предположениям, а его предположения смело противостояли распространенным научным теориям и подразумевали новый, точный порядок во вселенной»

Джоуль показал удивительную ясность в донесении, исполнении, описании и объяснении своих экспериментов. В отличие от многих учёных, Джоулю было не свойственно следовать ведущим в тупик путями или делать неверные наблюдения. В большинстве случаев, его черновики были достаточно понятными и разборчивыми для того, чтобы опубликовать их без предварительной проверки. Это свидетельствовало о чрезвычайной ясности его ума.

Вера в Библию

Джоуль был искренним христианином, который был известен своей терпеливостью и смирением. Джоуль искал Божьей воли и повиновался ей.

Джоуль не видел никаких противоречий между его научной работой и его верой в истинность Писания. Многие его коллеги-учёные разделяли его точку зрения. "В ответ на волну Дарвинизма, которая в то время нахлынула на всю страну... 717 учёных подписали знаменательный манифест под названием Декларация Учёных в области Естествознания и Физики, который вышел в Лондоне в 1864 году. Эта декларация утверждала их веру в научную достоверность Священного Писания. В этом списке числилось 86 Членов Научного Королевского Общества". Джеймс Джоуль был одним из выдающихся учёных, который подписал этот документ.

С 1872 года состояние здоровья Джоуля ухудшилось, но он всё же продолжал немного работать. Он умер 11 октября 1889 года в английском городке Сейле, недалеко от Чешира.

Джоуль твёрдо принимал Бога как Творца. Его слова свидетельствуют нам о тех приоритетах, по которым он жил: «После познания и повиновения Божьей воле, следующей целью должно быть познание Его мудрости, силы и доброты, как свидетельствует об этом Его творение» .

Ссылки и примечания

* "Теория Большого Взрыва" не пытается объяснить, как возникла гипотетическая концентрация материи.

Джеймс Джоуль краткая биография английского физика изложены в этой статье.

Джоуль Джеймс Прескотт краткая биография

Джеймс Прескотт Джоуль появился на свет 24 декабря 1818 года в семье богатого владельца завода по пивоварению. Хорошее финансовое положение семьи позволило Джеймсу до 15-летнего возраста обучался дома. Он получил прекрасные знания в области физики, математики и химии, и чувствуя дальнейшее влечение к наукам, Джеймсу Джоулю захотелось продолжить свое образование. Но судьба распорядилась иначе – через болезнь отца он вместе со своим старшим братом какое-то время управляли семейным пивоваренным заводом.

Сложившиеся обстоятельства не помешали Джеймсу заниматься наукой. Дома он организовывает физическую лабораторию и начинает производить свои эксперименты. В ходе проведенных первых работ на электромоторах, ученый обнаружил следующее — мощность электрических машин прямо пропорциональна выработке напряжения и силы тока.

На протяжении 7 лет, начиная с 1847 года, ученый проводил ряд экспериментов по изучению действия тепла на электрический ток, проходящий через проводник. Результатом его труда стало открытие пропорциональной зависимости количества тепла, которое выделяется в проводнике, к сопротивлению данного материала и квадрата силы тока, который проходит через него.

Открытие Джоуля сделало его известным ученым. Ему предложил совместную работу У. Томсон. Они, работая в тендеме, стали, по сути, прародителями всех холодильных установок и холодильников. Джоуль довел, что расширение газа без выполнения любой работы приводит к значительному снижению его температуры. Данный эффект был назван в честь ученых – он носит название эффект Джоуля-Томсона.

(24.12.1818 – 11.10.1889)

Реферат написал ИГОРЬ МОРОЗОВ 7 «А» кл.

Биография – просто и интересно!

ДЖОУЛЬ ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ- выдающийся английский ученый.

Дж. Джоуль родился вблизи Манчестера в Англии в семье богатого владельца пивоваренного завода. Он получил домашнее образование. В течение трех лет его наставником был выдающийся химик Джон Дальтон. Именно Дальтон привил Джоулю любовь к науке и страсть к сбору и осмыслению численных данных, на которых основаны научные теории и законы.

К сожалению, математическая подготовка Джоуля была слабой, что в дальнейшем очень мешало ему в исследованиях и, возможно, не дало ему сделать еще более значительные открытия.

У Джоуля не было никакой профессии и никакой работы, кроме помощи в управлении заводом отца. Вплоть до 1854 г., когда завод наконец был продан, Джоуль работал на нем и урывками, по ночам, занимался своими опытами. После 1854 г. у Джоуля появились и время, и средства, чтобы построить в собственном доме физическую лабораторию и полностью посвятить себя экспериментальной физике.

Позднее Джоуль начал испытывать материальные затруднения и для продолжения исследований обратился за финансовой помощью к королеве Виктории.

В течение 1837-1847 гг. Джоуль все свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии – механической, электрической, химической, – в тепловую энергию.

Он разработал термометры, измерявшие температуру с точностью до одной двухсотой градуса, что позволило ему проводить измерения с наилучшей для того времени точностью.

В 1840 г. Джоуль формулирует закон, определяющий количество теплоты, выделяющейся в проводе при прохождении тока (известный сейчас как закон Джоуля).

В июне 1847 г. Джоуль представил доклад на собрании Британской ассоциации ученых, в котором он сообщил о наиболее точных измерениях механического эквивалента теплоты. На полусонных слушателей доклад не произвел никакого впечатления, пока молодой пылкий Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) не объяснил своим престарелым коллегам значение работы Джоуля. Доклад стал поворотным пунктом в его карьере.

В 1850 г. Джоуль был избран членом Лондонского королевского общества. Он стал одним из авторитетнейших ученых своего времени, обладателем многих титулов и наград.

Королева возвела его в рыцарское достоинство. Именем Джоуля была названа единица энергии.

Джоуль обладал выдающимися способностями физика-экспериментатора. Его страсть к науке была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии!

Джоуль верил, что природа устроена просто, и стремился найти простые соотношения между важными физическими величинами. Ему удалось найти два таких соотношения, которые навсегда сохранили его имя в науке.

Исследования Джоуля

Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем (закон Джоуля-Ленца). Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У него, Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что "электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло" Но источником электрического тока может служить также и "Электромагнитная машина". Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с гальваническим элементом включить магнитоэлектрическую машину (т. е. электродвигатель), как повлияет это на количество теплоты, выделяемой током в цепи?

Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе "Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты", опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку с железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита (рис. 63). Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению. Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз - генератора электрического тока.

Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что "теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению" и что "мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту". Наконец, Джоуль заставлял вращаться эту трубку в магнитном поле уже под действием падающих грузов. Измеряя количество теплоты, выделившееся в воде, и совершенную при опускании грузов работу, он подсчитал механический эквивалент теплоты, который оказался равным 460 кГм/ккал.

В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась в теплоту. Он измерил теплоту, выделяемую при продавливании воды через узкие трубки. При этом он получил, что механический эквивалент теплоты равен 423 кГм/ккал.

В дальнейшем Джоуль вновь возвращался к экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. В 1849 г. он проделал известный опыт по измерению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью (рис. 64). Измеряя совершенную грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. в Манчестере, он говорил:

"Вы видите, следовательно, что живая сила может быть превращена в теплоту и что теплота может превращаться в живую силу, или в притяжение на расстоянии. Все трое, следовательно, - именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу причислить свет) - взаимно превращаемы друг в друга. Причем при этих превращениях ничего не теряется".

Джеймс Прескот Джоуль – выдающийся английский физик. Он досконально изучил природу тепловой энергии и обнаружил ее связь с электрическим током , проходящим через проводник. Им были открыты множество законов, и в частности первый закон термодинамики. В честь ученого названа единица измерения количества выделяемого тепла – Джоуль. Великий ученый сделал также неоценимый вклад в практическое использование электричества. Им были проведены работы по модернизации и улучшению характеристик электрических моторов и магнитов.

Родился Джеймс Прескотт Джоуль 24 декабря 1818 года в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. Благодаря хорошему финансовому положению семьи Джеймс до 15 лет обучался дома в родном городе Салфорде. Этому также способствовали проблемы со здоровьем у будущего ученого. После такой школы, где он кстати получил достаточно хорошие знания в области математики, физики и химии, естественно Джеймсу захотелось продолжать образования. Однако из-за болезни отца он какое-то время вместе со своим старшим братом вынужден был управлять семейным пивоваренным заводом.

У себя дома Джеймс организовал физическую лабораторию и начал производить эксперименты. Проводя исследования работы первых электромоторов, ученый обнаружил, что мощность электрических машин пропорциональна произведению силы тока и напряжения .

С 1847 года на протяжении семи лет ученый проводит эксперименты по изучению теплового действия электрического тока, проходящего через проводник . Результатом его работы стала пропорциональная зависимость количества тепла, выделяемого в проводнике, сопротивления самого материала и квадрата силы тока, проходящего через него.

Джеймс Прескотт Джоуль, работая с Уильямом Томсоном, по сути, стал прародителем всех холодильников и холодильных установок. Он доказал, что расширения газа без выполнения работы приводит к существенному снижению его температуры. Этот эффект назвали в честь обоих ученых – эффект Джоуля-Томсона.

В 1850 году ученого избирают действительным членом Британского Королевского общества. А в 1961 году уже его современники назвали именем ученого единицу работы и энергии в международной системе СИ. Это лишь мизерная часть вклада ученого, относящаяся непосредственно к изучению и освоению электричества. Его участие в формировании всей науки, в том числе и современно просто неоценимо.

Биография

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Англия, Великобритания - 11 октября 1889, Сэйл, Чешир, Англия, Великобритания) - английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.

Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой, в результате практически одновременно с Майером пришёл к концепции всеобщего сохранения энергии, что, в свою очередь, обеспечило формулировку первого закона термодинамики. Работал с Томсоном над абсолютной шкалой температуры, описал явление магнитострикции, открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля - Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов.

В честь Джоуля названа единица измерения энергии - джоуль.

Родился в семье зажиточного владельца пивоваренного завода в Солфорде близ Манчестера, получил домашнее образование, притом в течение нескольких лет его учителем по элементарной математике, началам химии и физики был Дальтон. С 1833 года (с 15 лет) работал на пивоваренном заводе, и, параллельно с обучением (до 16 лет) и занятиями наукой до 1854 года участвовал в управлении предприятием, пока оно не было продано.

Первые экспериментальные исследования начал уже в 1837 году, заинтересовавшись возможностью замены паровых машин на пивоварне на электрические. В 1838 году по рекомендации одного из своих учителей Дэвиса (англ. John Davies), близким другом которого был изобретатель электродвигателя Стёрджен, опубликовал первую работу по электричеству в научном журнале Annals of Electricity, организованном за год до этого Стёрдженом, работа была посвящена устройству электромагнитного двигателя. В 1840 году обнаружил эффект магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков, и в течение 1840-1845 годов экспериментально изучает электромагнитные явления.

Изыскивая лучшие способы измерения электрических токов, Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, устанавливающий квадратичную зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике количеством теплоты (в русской литературе фигурирует как закон Джоуля - Ленца, так как 1842 году независимо этот закон был открыт российским физиком Ленцем). Открытие не было оценено Лондонским королевским обществом, и работу удалось опубликовать лишь в периодическом журнале Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

В 1840 году в Манчестер переезжает Стёрджен и возглавляет Галерею практических знаний (англ. Royal Victoria Gallery for the Encouragement of Practical Science) - коммерческое выставочно-образовательное учреждение, куда в 1841 году приглашает Джоуля как первого лектора.

В работах начала 1840-х годов исследовал вопрос экономической целесообразности электромагнитных двигателей, поначалу полагая, что электромагниты могут быть источником неограниченного количества механической работы, но вскоре убедился, что с практической точки зрения паровые машины того времени были эффективнее, опубликовав в 1841 году выводы, что эффективность «идеального» электромагнитного двигателя на 1 фунт цинка (используемого в аккумуляторах) составляет всего лишь 20 % от эффективности парового на 1 фунт сжигаемого угля, не скрывая при этом разочарования.

В 1842 году обнаруживает и описывает явление магнитострикции, заключающееся в изменении размеров и объёма тела при изменении его состояния намагниченности. В 1843 году формулирует и публикует окончательные результаты работ по исследованию тепловыделения в проводниках, в частности, экспериментально показывает, что выделяемое тепло никоим образом не забирается из окружения, что бесповоротно опровергало теорию теплорода, сторонники которой всё ещё оставались в то время. В том же году заинтересовался общей проблемой количественного соотношения между различными силами, приводящими к выделению теплоты, и, придя к убеждению в существовании предсказанной Майером (1842) определённой зависимости между работой и количеством теплоты, ищет численное соотношение между этими величинами - механический эквивалент тепла. В течение 1843-1850 годов проводит серию экспериментов, непрерывно совершенствуя экспериментальную технику и каждый раз подтверждая принцип сохранения энергии количественными результатами[⇨].

В 1844 году семья Джоулей переехала в новый дом в Уэлли-Рэйдж (англ. Whalley Range), где для Джеймса была оборудована удобная лаборатория. В 1847 году женился на Амелии Граймс, вскоре у них появились сын и дочь, в 1854 году Амелия Джоуль умерла.

В 1847 году знакомится с Томсоном, который даёт высокую оценку экспериментальной технике Джоуля, и с которым впоследствии плодотворно сотрудничает, во многом под влиянием Джоуля формируются и представления Томсона на вопросы молекулярно-кинетической теории. В первых же совместных работах Томсон и Джоуль создают термодинамическую температурную шкалу.

В 1848 году для объяснения тепловых эффектов при повышении давления предлагает модель газа как состоящего из микроскопических упругих шариков, столкновение которых со стенками сосуда и создаёт давление, и давая оценку скорости «упругих шариков» водорода около 1850 м/c. По рекомендации Клаузиуса эта работа была опубликована в «Философских трудах Королевского общества», и, хотя в ней впоследствии были выявлены серьёзные изъяны, она оказала значительное влияние на становление термодинамики, в частности, идейно перекликается с работами по Ван-дер-Ваальса начала 1870-х годов по моделированию реального газа.

К концу 1840-х годов работы Джоуля получают всеобщее признание в научном сообществе, и в 1850 году он избран действительным членом Лондонского королевского общества.

В работах 1851 года, совершенствуя свои теоретические модели представления теплоты как движения упругих частиц, достаточно точно теоретически рассчитал теплоёмкость некоторых газов. В 1852 году обнаруживает, измеряет и описывает в серии совместных с Томсоном работ эффект изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании, известный как эффект Джоуля - Томсона, ставший впоследствии одним из основных методов получения сверхнизких температур, тем самым способствовав появлению физики низких температур как отрасли естествознания.

В 1850-е годы публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.

В 1859 году исследует термодинамические свойства твёрдых тел, измеряя тепловой эффект при деформациях, и отмечает нестандартные в сравнении с другими материалами свойства каучука.

В 1860-е годы интересуется природными явлениями, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, миражей, метеоритов.

В 1867 году Джоуль по схеме, предложенной Томсоном проводит для Британской научной ассоциации измерения эталона механического эквивалента теплоты, но получает результаты, расходящиеся со значениями, получающимися из чисто механических опытов, однако уточнение условий механических экспериментов подтвердили точность измерений Джоуля и в 1878 году эталон сопротивления был пересмотрен.

На начальных этапах деятельности Джоуль ставил эксперименты и занимался исследованиями исключительно на собственные средства, однако после продажи пивоварни в 1854 году материальное положение постепенно ухудшилось, и пришлось пользоваться финансированием различных научных организаций, а в 1878 году назначена государственная пенсия. С детства страдал из-за болезни позвоночника, а с начала 1870-х годов из-за плохого состояния здоровья практически не работал. Скончался в 1889 году

Механический эквивалент тепла

Начиная с 1843 года Джоуль ищет подтверждение принципа сохранения энергии и пытается вычислить механический эквивалент тепла. В первых опытах измеряет нагрев жидкости, в которую погружён соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита, проводя измерения в случаях сомкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита, потом усовершенствует эксперимент, исключая ручное вращение и приводя электромагнит в действие опускающимся грузом. По результатам измерений формулирует соотношение:

Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут

Результаты экспериментов публикует в 1843 году в статье «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла». В 1844 году формулирует первый вариант закона теплоёмкости сложных кристаллических тел, известный как закон Джоуля - Коппа (Копп (нем. Hermann Kopp) в 1864 году дал точную формулировку и окончательное экспериментальное подтверждение).

Далее, в опыте 1844 года измеряет тепловыделение при продавливании жидкости через узкие трубки, в 1845 году - измеряет теплоту при сжатии газа, а в опыте 1847 года сравнивает затраты на вращение мешалки в жидкости с образовавшейся в результате трения теплотой.

В работах 1847-1850 годов даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

Эволюция значений механического эквивалента тепла, полученная в экспериментах Джоуля (в футо-фунтах или футо-фунт-силе на британскую термическую единицу):
838 (4,51 Дж/кал), 1843;
770 (4,14 Дж/кал), 1844;
823 (4,43 Дж/кал), 1845
819 (4,41 Дж/кал), 1847
772,692 (4,159 Дж/кал), 1850.

Последняя оценка близка к сверхточным значениям измерений, осуществлённым в XX веке.

Борьба за приоритет в открытии закона сохранении энергии

Со второй половины 1840-х годов на страницах «Трудов Французской академии наук» (фр. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l"Académie des sciences) развернулась острая дискуссия о приоритете в открытии закона сохранения энергии для термодинамических систем между Джоулем и Майером, и, хотя публикация Майера вышла несколько раньше, он, будучи врачом по профессии, не воспринимался всерьёз, тогда как Джоуля уже поддерживали крупные физики, в частности, его доклад 1847 года в Британской научной ассоциации получил высокие оценки присутствовавших на заседании Фарадея, Стокса и Томсона. Тимирязев, позднее рассматривая эту дискуссию, отмечал последовательность аргументации Майера в борьбе с «мелкой завистью цеховых ученых ». Гельмгольц, опубликовавший принцип сохранения энергии в 1847 году, в 1851 году обращает внимание на работы Майера, а в 1852 году открыто признаёт его приоритет.

Следующий виток борьбы за приоритет произошёл в 1860-е годы, когда закон получил всеобщее признание в научной среде. Тиндаль в 1862 году в публичной лекции показывает приоритет Майера, и на его точку зрения становится Клаузиус. Тэт, известный пробританскими патриотическими взглядами, в серии публикаций настаивает на приоритете Джоуля, не признавая за работой Майера 1842 года физического содержания, ему оппонирует Клаузиус, а философ Дюринг, одновременно принижая значение работ Джоуля и Гельмгольца, активно настаивает на приоритете Майера, что во многом послужило окончательному признанию приоритета Майера.

Признание и память

В 1850 году избран членом Лондонского королевского общества. В 1852 году за работы по количественному эквиваленту тепла награждён первой Королевской медалью. В 1860 году избран почётным президентом Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

Получил научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа (1857), доктора гражданского права (англ. DCL) Оксфордского университета (1860), доктора права (LL.D.) Эдинбургского университета (1871).

В 1866 году Джоулю присуждена медаль Копли, в 1880 году - медаль Альберта. В 1878 году правительством ему была назначена пожизненная пенсия в 215 фунтов.

В 1872 и 1877 годах дважды избирался президентом Британской научной ассоциации (англ. British Association for the Advancement of Science).

На втором Международном конгрессе электриков, проходившем в 1889 году - год смерти Джоуля, его именем названа унифицированная единица измерения работы, энергии, количества теплоты, для которой не требовался коэффициент перехода между механической работой и теплом (механический эквивалент тепла), ставшая одной из производных единиц СИ с собственным именем.

В Манчестерской ратуше установлен памятник Джоулю работы скульптора Альфреда Гильберта (англ. Alfred Gilbert), напротив памятника Дальтону.

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Джеймса Джоуля кратеру на обратной стороне Луны.