物理学

実験熱 法則や仕事・熱量・電力量に名を残す

ジュール,ジェームズ・プレスコット(1818~1889年、物理学、英国)

 偉大な科学者は、必ずしも大学の教授や研究職員とは限らない。物理学の基本原理「エネルギー保存の法則」(熱力学第一法則)の確立に貢献し、エネルギー(仕事)や熱量、電力量の単位「ジュール」にもなっている英国のジェームズ・プレスコット・ジュールは、一生を家業の醸造業者として過ごしたアマチュア科学者だった。

 子供のころから病気がちだったジュールは、学校には行かず、家庭教師に付いて勉強した。その家庭教師の一人に原子論で有名な物理学者ジョン・ドルトンがいて、16歳から3年間、科学や数学を学んだ。ジュールは読書と実験が好きで、20歳の時には自宅を改造して実験室も作った。興味をもったのが、当時発明されたばかりの電動モーターだった。

 モーターは電気によって回転し、物を動かすなどの仕事をする。ジュールは、モーターが動いている途中で熱が発生することに気づき、電気のエネルギーが熱エネルギーや運動(仕事)エネルギーに変わる仕組みなどについて研究するようになった。

 ジュールは1840年、水中の導線に電気を流し水温がどれだけ上昇するかを実験した。すると、発生した熱量は電流の2乗に比例し、さらに導線の電気抵抗にも比例することが分かった。今では「ジュールの法則」として知られるこの実験結果を、ジュールは英国王立協会で発表し、伝統ある学術誌にも論文が掲載されたが、醸造業者が行った実験はほとんど注目されなかった。

 次にジュールが考えたのが「その熱がどこからきたのか」ということ。そのための実験を重ね、1845年に考え出したのが「羽根車の実験」だ。

 水の入った容器に羽根車の付いたかくはん器を入れ、滑車から垂らしたおもりとかくはん器を糸で結んだ。おもりを高い位置で放すと、おもりが下がって羽根車が回転しながら水をかくはんし、その結果、水の温度が上がった。

 おもりのもつ「位置エネルギー」が、羽根車の回転という「運動エネルギー」に変わり、さらに「熱エネルギー」に変わったことになる。ジュールはかなり精密に温度を測定し、位置エネルギーがどれだけの熱エネルギーに変化するかを求めた。この結果を1847年に発表したが、やはりだれにも注目されなかったという。

 しかし発表を聞いていた、一人の若き物理学者ウィリアム・トムソン(1824~1907年)が高く評価したことから、にわかにジュールの実験は有名になった。

 羽根車の実験は、1849年にはマイケル・ファラデーの紹介で王立学会でも発表し、翌年ジュールは王立協会の会員にもなった。

 間もなくして、ジュールは結婚した。そのスイス・アルプスへの新婚旅行の際にも温度計を持参し、妻を助手にして、落下する滝の上と下で水温がどう変化するかを測定したという。

 まさにジュールは「熱量のある人」だった。