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James Prescott Joule war ein englischer Physiker, Mathematiker und Brauer, geboren in Salford, Lancashire. Joule studierte die Natur der Wärmestrahlung und entdeckte ihre Beziehung zur mechanischen Arbeit siehe Energie. Dies führte zum Gesetz der Energieerhaltung, das wiederum zur Entwicklung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik führte. Die SI-Einheit der Energie, das Joule, ist nach ihm benannt.
Er arbeitete mit Lord Kelvin zusammen, um eine absolute thermodynamische Temperaturskala zu entwickeln, die als Kelvin-Skala bekannt wurde. Joule machte auch Beobachtungen der Magnetostriktion und entdeckte die Beziehung zwischen dem Strom durch einen Widerstand und der erzeugten Wärme, die auch als Joules erstes Gesetz bekannt ist. Seine Experimente zu Energieumwandlungen wurden erstmals 1843 veröffentlicht.
Frühe Jahre
James Joule wurde 1818 geboren, der Sohn von Benjamin Joule 1784–1858, einem wohlhabenden Brauer, und seiner Frau Alice Prescott, in der New Bailey Street in Salford. Joule wurde als junger Mann von dem berühmten Wissenschaftler John Dalton unterrichtet und wurde stark von dem Chemiker William Henry sowie den Manchestern Ingenieuren Peter Ewart und Eaton Hodgkinson beeinflusst. Er war fasziniert von Elektrizität, und er und sein Bruder experimentierten damit, indem sie sich gegenseitig und den Familienbediensteten elektrische Schläge versetzten.
Als Erwachsener verwaltete Joule die Brauerei. Wissenschaft war nur ein ernstes Hobby. Um 1840 begann er zu untersuchen, ob es möglich wäre, die Dampfmaschinen der Brauerei durch den neu erfundenen Elektromotor zu ersetzen. Seine ersten wissenschaftlichen Arbeiten zu diesem Thema wurden in William Sturgeons Annals of Electricity veröffentlicht. Joule war Mitglied der London Electrical Society, die von Sturgeon und anderen gegründet wurde.
Motiviert teilweise durch den Wunsch eines Geschäftsmannes, die Wirtschaftlichkeit der Wahl zu quantifizieren, und teilweise durch seine wissenschaftliche Neugier, machte er sich daran zu bestimmen, welcher Antriebsmotor effizienter war. Er entdeckte 1841 Joules erstes Gesetz, dass die Wärme, die durch die ordnungsgemäße Wirkung eines galvanischen Stroms entsteht, proportional zum Quadrat der Stromstärke multipliziert mit dem Leitungswiderstand ist, dem er ausgesetzt ist. Er erkannte dann, dass das Verbrennen eines Pfunds Kohle in einer Dampfmaschine wirtschaftlicher war als ein kostbares Pfund Zink, das in einer elektrischen Batterie verbraucht wurde. Joule erfasste die Leistung der alternativen Methoden in Form eines gemeinsamen Standards, der Fähigkeit, eine Masse von einem Pfund auf eine Höhe von einem Fuß zu heben, das Foot-Pound.
Jedoch lenkte sich Joules Interesse von der engen finanziellen Frage ab zu der Frage, wie viel Arbeit aus einer bestimmten Quelle gewonnen werden könnte, was ihn dazu führte, über die Umwandelbarkeit von Energie zu spekulieren. 1843 veröffentlichte er Ergebnisse von Experimenten, die zeigten, dass der Heizeffekt, den er 1841 quantifiziert hatte, auf die Wärmeerzeugung im Leiter und nicht auf seine Übertragung von einem anderen Teil der Ausrüstung zurückzuführen war. Dies war eine direkte Herausforderung der Kalorischen Theorie, die besagte, dass Wärme weder erzeugt noch zerstört werden konnte. Die Kalorische Theorie hatte das Denken in der Wärmewissenschaft seit ihrer Einführung durch Antoine Lavoisier 1783 dominiert. Lavoisiers Prestige und der praktische Erfolg von Sadi Carnots kalorischer Theorie der Wärmemaschine seit 1824 stellten sicher, dass der junge Joule, der außerhalb der Akademie oder des Ingenieurberufs arbeitete, einen schwierigen Weg vor sich hatte. Anhänger der Kalorischen Theorie wiesen bereitwillig auf die Symmetrie des Peltier-Seebeck-Effekts hin, um zu behaupten, dass Wärme und Strom in einem zumindest annähernd umkehrbaren Prozess umwandelbar waren.
Das mechanische Wärmeäquivalent
Weitere Experimente und Messungen mit seinem Elektromotor führten Joule dazu, das mechanische Wärmeäquivalent auf 4,1868 Joule pro Kalorie Arbeit zu schätzen, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Kelvin zu erhöhen. Er kündigte seine Ergebnisse bei einer Tagung der chemischen Abteilung der British Association for the Advancement of Science in Cork im August 1843 an und wurde mit Schweigen empfangen.
Joule ließ sich nicht entmutigen und begann, eine rein mechanische Demonstration der Umwandlung von Arbeit in Wärme zu suchen. Durch Drücken von Wasser durch einen gelochten Zylinder konnte er die leichte viskose Erwärmung der Flüssigkeit messen. Er erhielt ein mechanisches Äquivalent von 770 Foot-Pounds-Kraft pro British Thermal Unit 4.140 J/Cal. Die Tatsache, dass die Werte, die sowohl auf elektrischem als auch auf rein mechanischem Wege erhalten wurden, zumindest in einer Größenordnung übereinstimmten, war für Joule ein zwingender Beweis für die Realität der Umwandelbarkeit von Arbeit in Wärme.
Überall dort, wo mechanische Kraft aufgewendet wird, wird immer ein genaues Wärmeäquivalent erhalten.
Joule versuchte nun einen dritten Weg. Er maß die erzeugte Wärme gegen die geleistete Arbeit beim Komprimieren eines Gases. Er erhielt ein mechanisches Äquivalent von 798 Foot-Pounds-Kraft pro British Thermal Unit 4.290 J/Cal. In vieler Hinsicht bot dieses Experiment das leichteste Angriffsziel für Joules Kritiker, aber Joule entkräftete die erwarteten Einwände durch geschickte Experimentation. Joule las sein Papier der Royal Society am 20. Juni 1844 vor, aber sein Papier wurde zur Veröffentlichung von der Royal Society abgelehnt und er musste sich damit begnügen, 1845 in der Philosophical Magazine zu veröffentlichen. In dem Papier lehnte er die kalorische Überlegung von Carnot und Émile Clapeyron offen ab, eine Ablehnung, die teilweise theologisch motiviert war:
Ich stelle mir vor, dass diese Theorie ... den anerkannten Prinzipien der Philosophie widerspricht, da sie zu dem Ergebnis führt, dass vis viva durch eine unsachgemäße Anordnung der Ausrüstung zerstört werden kann: So zieht Herr Clapeyron die Schlussfolgerung, dass „die Temperatur des Feuers um 1000 °C bis 2000 °C höher ist als die des Kessels, es gibt einen enormen Verlust von vis viva bei der Passage der Wärme vom Ofen zum Kessel." In dem Glauben, dass die Kraft zu zerstören allein dem Schöpfer gehört, behaupte ich ... dass jede Theorie, die bei ihrer Ausführung die Vernichtung von Kraft verlangt, notwendigerweise fehlerhaft ist.
Joule verwendet hier die Sprache von vis viva Energie, möglicherweise weil Hodgkinson eine Rezension von Ewarts On the measure of moving force zur Literary and Philosophical Society im April 1844 gelesen hatte.
Joule schrieb in seinem Papier von 1844:
... die mechanische Kraft, die beim Drehen einer magnetoelektrischen Maschine ausgeübt wird, wird in die Wärme umgewandelt, die durch den Durchgang der Induktionsströme durch ihre Spulen entsteht; und andererseits wird die Triebkraft der elektromagnetischen Maschine auf Kosten der Wärme erhalten, die durch die chemischen Reaktionen der Batterie, durch die sie betrieben wird, entsteht.
Im Juni 1845 las Joule sein Papier On the Mechanical Equivalent of Heat zur Tagung der British Association in Cambridge. In diesem Werk beschrieb er sein bekanntestes Experiment, bei dem ein fallenden Gewicht verwendet wird, bei dem die Schwerkraft die mechanische Arbeit verrichtet, um ein Schaufelrad in einem isolierten Wasserfass zu drehen, das die Temperatur erhöhte. Er schätzte nun ein mechanisches Äquivalent von 819 Foot-Pounds-Kraft pro British Thermal Unit 4.404 J/Cal. Er schrieb einen Brief an die Philosophical Magazine, der im September 1845 veröffentlicht wurde und sein Experiment beschrieb.
1850 veröffentlichte Joule eine verfeinerte Messung von 772,692 Foot-Pounds-Kraft pro British Thermal Unit 4.150 J/Cal, näher an Schätzungen des zwanzigsten Jahrhunderts.
Resonanz und Priorität
Ein großer Teil des anfänglichen Widerstands gegen Joules Werk stammte von seiner Abhängigkeit von äußerst genauen Messungen. Er behauptete, Temperaturen auf 1⁄200 Grad Fahrenheit 3 mK genau messen zu können. Eine solche Genauigkeit war sicherlich ungewöhnlich in der zeitgenössischen experimentellen Physik, aber seine Zweifler könnten seine Erfahrung in der Braukunst und seinen Zugang zu ihren praktischen Technologien übersehen haben. Er wurde auch ably von Wissenschaftsinstrumentenbauer John Benjamin Dancer unterstützt. Joules Experimente ergänzten die theoretische Arbeit von Rudolf Clausius, der von einigen als Miterfinder des Energiekonzepts angesehen wird.
Joule schlug eine kinetische Theorie der Wärme vor; er glaubte, dass sie eine Form von rotatorischer und nicht translatorischer kinetischer Energie ist, und dies erforderte einen konzeptionellen Sprung: Wenn Wärme eine Form der molekularen Bewegung war, warum starb die Bewegung der Moleküle nicht allmählich ab? Joules Ideen erforderten die Annahme, dass die Kollisionen von Molekülen vollkommen elastisch waren. Wir sollten auch bedenken, dass die bloße Existenz von Atomen und Molekülen nicht weit verbreitet akzeptiert wurde für weitere 50 Jahre.
Obwohl es heute schwer zu verstehen sein mag, warum die kalorische Theorie so verlockend war, schien sie damals einige klare Vorteile zu haben. Carnots erfolgreiche Theorie der Wärmemaschinen war auch auf der kalorischen Annahme basiert, und erst später bewies Lord Kelvin, dass Carnots Mathematik gleichermaßen gültig waren, ohne eine kalorische Flüssigkeit anzunehmen.
Jedoch wurde in Deutschland Hermann Helmholtz auf Joules Arbeit und die ähnliche Arbeit von Julius Robert von Mayer von 1842 aufmerksam. Obwohl beide Männer seit ihrer jeweiligen Veröffentlichung vernachlässigt worden waren, kredierte Helmholtz' definitive Erklärung der Energieerhaltung von 1847 sie beide.
Auch 1847 wurde eine weitere Präsentation von Joule bei der British Association in Oxford von George Gabriel Stokes, Michael Faraday und dem präkozen und eigensinnigen William Thomson, später Lord Kelvin, besucht, der gerade zum Professor für Naturphilosophie an der Universität Glasgow ernannt worden war. Stokes war „geneigt, ein Joulite zu sein" und Faraday war „sehr beeindruckt davon", obwohl er Zweifel hegte. Thomson war fasziniert, aber skeptisch.
Unerwartet trafen sich Thomson und Joule später in diesem Jahr in Chamonix. Joule heiratete Amelia Grimes am 18. August und das Paar begab sich in die Flitterwochen. Trotz ehelicher Begeisterung einigten sich Joule und Thomson darauf, ein paar Tage später ein Experiment zu versuchen, um die Temperaturdifferenz zwischen der Spitze und dem Fuß des Cascade de Sallanches Wasserfalls zu messen, obwohl sich dies später als unpraktisch erwies.
Obwohl Thomson der Meinung war, dass Joules Ergebnisse eine theoretische Erklärung erforderten, zog er sich in eine engagierte Verteidigung der Carnot-Clapeyron-Schule zurück. In seinem Bericht über die absolute Temperatur 1848 schrieb Thomson, dass „die Umwandlung von Wärme oder Kalor in mechanische Wirkung wahrscheinlich unmöglich, sicherlich unentdeckt ist" – aber eine Fußnote signalisierte seine ersten Zweifel an der kalorischen Theorie und bezog sich auf Joules „sehr bemerkenswerte Entdeckungen". Überraschenderweise schickte Thomson Joule kein Exemplar seines Papiers, aber als Joule es schließlich las, schrieb er Thomson am 6. Oktober, behauptend, dass seine Studien die Umwandlung von Wärme in Arbeit demonstriert hätten, aber dass er weitere Experimente plant. Thomson antwortete am 27. und enthüllte, dass er seine eigenen Experimente plante und auf eine Versöhnung ihrer beiden Ansichten hoffte. Obwohl Thomson keine neuen Experimente durchführte, wurde er in den nächsten zwei Jahren zunehmend mit Carnots Theorie unzufrieden und von Joules Theorie überzeugt. In seinem Papier von 1851 war Thomson nur bereit, nicht weiter zu gehen als ein Kompromiss, und erklärte „die ganze Theorie der Triebkraft der Wärme basiert auf zwei Propositionen, die jeweils auf Joule und auf Carnot und Clausius zurückgehen".
Sobald Joule das Papier las, schrieb er Thomson mit seinen Kommentaren und Fragen. Somit begann eine fruchtbare, wenn auch weitgehend epistoläre, Zusammenarbeit zwischen den beiden Männern, Joule führte Experimente durch, Thomson analysierte die Ergebnisse und schlug weitere Experimente vor. Die Zusammenarbeit dauerte von 1852 bis 1856, und zu ihren Entdeckungen gehörte der Joule-Thomson-Effekt, und die veröffentlichten Ergebnisse trugen viel dazu bei, die allgemeine Akzeptanz von Joules Arbeit und der kinetischen Theorie zu bringen.
Kinetische Theorie
Kinetik ist die Wissenschaft der Bewegung. Joule war ein Schüler von Dalton und es ist nicht verwunderlich, dass er einen festen Glauben an die Atomtheorie gelernt hatte, obwohl es viele Wissenschaftler seiner Zeit gab, die immer noch skeptisch waren. Er war auch einer der wenigen Menschen, die für die vernachlässigte Arbeit von John Herapath zur kinetischen Theorie der Gase empfänglich waren. Er wurde weiterhin stark von Peter Ewarts Papier von 1813 On the measure of moving force beeinflusst.
Joule erkannte die Beziehung zwischen seinen Entdeckungen und der kinetischen Theorie der Wärme. Seine Labornotizen zeigen, dass er glaubte, dass Wärme eine Form von rotatorischer und nicht translatorischer Bewegung ist.
Joule konnte nicht widerstehen, Vorläufer seiner Ansichten in Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Count Rumford und Sir Humphry Davy zu finden. Obwohl solche Ansichten gerechtfertigt sind, schätzte Joule weiterhin einen Wert für das mechanische Wärmeäquivalent von 1034 Foot-Pound aus Rumfords Veröffentlichungen. Einige moderne Schriftsteller haben diesen Ansatz kritisiert, mit dem Argument, dass Rumfords Experimente in keiner Weise systematische quantitative Messungen darstellten. In einer seiner persönlichen Notizen behauptet Joule, dass Mayers Messung nicht genauer war als Rumfords, möglicherweise in der Hoffnung, dass Mayer seine eigenen Arbeiten nicht vorweggenommen hatte.
Joule wird zugeschrieben, das grüne Blitzphänomen des Sonnenuntergangs in einem Brief an das Manchester Literary and Ph
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