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James Prescott Joule fue un físico, matemático y cervecero inglés, nacido en Salford, Lancashire. Joule estudió la naturaleza del calor y descubrió su relación con el trabajo mecánico véase energía. Esto condujo a la ley de conservación de la energía, que a su vez llevó al desarrollo de la primera ley de la termodinámica. La unidad derivada del SI de energía, el joule, lleva su nombre.
Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar una escala de temperatura termodinámica absoluta, que llegó a llamarse escala Kelvin. Joule también hizo observaciones de magnetostricción y encontró la relación entre la corriente a través de una resistencia y el calor disipado, que también se llama primera ley de Joule. Sus experimentos sobre transformaciones de energía se publicaron por primera vez en 1843.
Primeros años
James Joule nació en 1818, hijo de Benjamin Joule 1784–1858, un cervecero adinerado, y su esposa, Alice Prescott, en New Bailey Street en Salford. Joule fue tutoriado de joven por el famoso científico John Dalton y fue fuertemente influenciado por el químico William Henry e ingenieros de Manchester Peter Ewart y Eaton Hodgkinson. Estaba fascinado por la electricidad, y él y su hermano experimentaron dándose descargas eléctricas el uno al otro y a los criados de la familia.
Como adulto, Joule gestionó la cervecería. La ciencia era meramente un hobby serio. Alrededor de 1840, comenzó a investigar la viabilidad de reemplazar las máquinas de vapor de la cervecería con el motor eléctrico recién inventado. Sus primeros artículos científicos sobre el tema fueron contribuciones a los Annals of Electricity de William Sturgeon. Joule fue miembro de la London Electrical Society, establecida por Sturgeon y otros.
Motivado en parte por el deseo de un hombre de negocios de cuantificar la economía de la elección, y en parte por su curiosidad científica, se propuso determinar cuál motor primario era más eficiente. Descubrió la primera ley de Joule en 1841, que el calor que es generado por la acción adecuada de cualquier corriente voltaica es proporcional al cuadrado de la intensidad de esa corriente, multiplicado por la resistencia a la conducción que experimenta. Continuó dándose cuenta de que quemar una libra de carbón en un motor de vapor era más económico que una costosa libra de zinc consumida en una batería eléctrica. Joule capturó la salida de los métodos alternativos en términos de un estándar común, la capacidad de elevar una masa que pesa una libra a una altura de un pie, la libra-pie.
Sin embargo, el interés de Joule se desvió de la cuestión financiera estrecha a la de cuánto trabajo podría extraerse de una fuente dada, llevándolo a especular sobre la convertibilidad de la energía. En 1843 publicó resultados de experimentos que mostraban que el efecto de calentamiento que había cuantificado en 1841 se debía a la generación de calor en el conductor y no su transferencia desde otra parte del equipo. Este fue un desafío directo a la teoría calórica que sostenía que el calor no podía ser creado ni destruido. La teoría calórica había dominado el pensamiento en la ciencia del calor desde que fue introducida por Antoine Lavoisier en 1783. El prestigio de Lavoisier y el éxito práctico de la teoría calórica del motor térmico de Sadi Carnot desde 1824 aseguraron que el joven Joule, trabajando fuera de la academia o de la profesión de ingeniería, tuviera un camino difícil por delante. Los partidarios de la teoría calórica señalaban fácilmente la simetría del efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente eran convertibles en un proceso al menos aproximadamente reversible.
El equivalente mecánico del calor
Experimentos y mediciones adicionales con su motor eléctrico llevaron a Joule a estimar el equivalente mecánico del calor como 4,1868 joules por caloría de trabajo para elevar la temperatura de un gramo de agua en un Kelvin. Anunció sus resultados en una reunión de la sección química de la British Association for the Advancement of Science en Cork en agosto de 1843 y fue recibido con silencio.
Joule no se desanimó e intentó buscar una demostración puramente mecánica de la conversión del trabajo en calor. Al forzar agua a través de un cilindro perforado, pudo medir el ligero calentamiento viscoso del fluido. Obtuvo un equivalente mecánico de 770 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica 4.140 J/Cal. El hecho de que los valores obtenidos tanto por medios eléctricos como puramente mecánicos estuvieran de acuerdo al menos en un orden de magnitud fue, para Joule, evidencia convincente de la realidad de la convertibilidad del trabajo en calor.
Dondequiera que se gaste fuerza mecánica, siempre se obtiene un equivalente exacto de calor.
Joule ahora intentó una tercera ruta. Midió el calor generado contra el trabajo realizado en la compresión de un gas. Obtuvo un equivalente mecánico de 798 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica 4.290 J/Cal. De muchas maneras, este experimento ofreció el objetivo más fácil para los críticos de Joule, pero Joule se deshizo de las objeciones anticipadas mediante experimentación inteligente. Joule leyó su artículo a la Royal Society el 20 de junio de 1844, pero su artículo fue rechazado para publicación por la Royal Society y tuvo que contentarse con publicar en la Philosophical Magazine en 1845. En el artículo fue franco en su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron, un rechazo parcialmente impulsado por la teología:
Concibo que esta teoría ... se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque conduce a la conclusión de que vis viva puede ser destruida por una disposición impropia del aparato: Así el Sr. Clapeyron deduce que 'siendo la temperatura del fuego de 1000 °C a 2000 °C superior a la de la caldera hay una pérdida enorme de vis viva en el paso del calor del horno a la caldera.' Creyendo que el poder de destruir pertenece únicamente al Creador afirmo ... que cualquier teoría que, cuando se ejecuta, exige la aniquilación de la fuerza, es necesariamente errónea.
Joule aquí adopta el lenguaje de vis viva energía, posiblemente porque Hodgkinson había leído una reseña de On the measure of moving force de Ewart a la Literary and Philosophical Society en abril de 1844.
Joule escribió en su artículo de 1844:
... la potencia mecánica ejercida al girar una máquina magnetoeléctrica se convierte en el calor evolucionado por el paso de las corrientes de inducción a través de sus bobinas; y, por otro lado, que la potencia motriz del motor electromagnético se obtiene a expensas del calor debido a las reacciones químicas de la batería que la alimenta.
En junio de 1845, Joule leyó su artículo On the Mechanical Equivalent of Heat en la reunión de la British Association en Cambridge. En este trabajo, informó su experimento más conocido, que implicaba el uso de un peso que caía, en el cual la gravedad realiza el trabajo mecánico, para hacer girar una rueda de paletas en un barril de agua aislado que aumentó la temperatura. Ahora estimó un equivalente mecánico de 819 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica 4.404 J/Cal. Escribió una carta a la Philosophical Magazine, publicada en septiembre de 1845 describiendo su experimento.
En 1850, Joule publicó una medición refinada de 772.692 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica 4.150 J/Cal, más cercana a las estimaciones del siglo veinte.
Recepción y prioridad
Gran parte de la resistencia inicial al trabajo de Joule provenía de su dependencia de mediciones extremadamente precisas. Afirmó poder medir temperaturas dentro de 1⁄200 de un grado Fahrenheit 3 mK. Tal precisión era ciertamente poco común en la física experimental contemporánea, pero sus detractores pueden haber pasado por alto su experiencia en el arte de la elaboración de cerveza y su acceso a sus tecnologías prácticas. También fue apoyado capazmente por el fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer. Los experimentos de Joule complementaron el trabajo teórico de Rudolf Clausius, quien es considerado por algunos como el coinventor del concepto de energía.
Joule proponía una teoría cinética del calor creía que era una forma de energía cinética rotacional, en lugar de translacional, y esto requería un salto conceptual: si el calor era una forma de movimiento molecular, ¿por qué no moría gradualmente el movimiento de las moléculas? Las ideas de Joule requerían creer que las colisiones de moléculas eran perfectamente elásticas. También debemos recordar que la existencia misma de átomos y moléculas no fue ampliamente aceptada durante otros 50 años.
Aunque hoy puede ser difícil entender el atractivo de la teoría calórica, en ese momento parecía tener algunas ventajas claras. La exitosa teoría de motores térmicos de Carnot también se había basado en el supuesto calórico, y solo más tarde fue probado por Lord Kelvin que las matemáticas de Carnot eran igualmente válidas sin asumir un fluido calórico.
Sin embargo, en Alemania, Hermann Helmholtz se enteró tanto del trabajo de Joule como del trabajo similar de 1842 de Julius Robert von Mayer. Aunque ambos hombres habían sido descuidados desde sus respectivas publicaciones, la declaración definitiva de Helmholtz de 1847 sobre la conservación de la energía los acreditaba a ambos.
También en 1847, otra presentación de Joule en la British Association en Oxford fue asistida por George Gabriel Stokes, Michael Faraday, y el precoz y rebelde William Thomson, que luego se convirtió en Lord Kelvin, quien acababa de ser designado profesor de filosofía natural en la University of Glasgow. Stokes estaba "inclinado a ser un Joulite" y Faraday estaba "muy impresionado con ello" aunque albergaba dudas. Thomson estaba intrigado pero escéptico.
Inesperadamente, Thomson y Joule se conocieron posteriormente ese año en Chamonix. Joule se casó con Amelia Grimes el 18 de agosto y la pareja se fue de luna de miel. Sin entusiasmo conyugal que obstante, Joule y Thomson arreglaron intentar un experimento unos días después para medir la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de la cascada Cascade de Sallanches, aunque esto posteriormente resultó impracticable.
Aunque Thomson sintió que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se retiró a una defensa enérgica de la escuela Carnot-Clapeyron. En su relato de 1848 de la temperatura absoluta, Thomson escribió que "la conversión del calor o calórico en efecto mecánico es probablemente imposible, ciertamente no descubierta" – pero una nota al pie señaló sus primeras dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los "descubrimientos muy notables" de Joule. Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente lo leyó escribió a Thomson el 6 de octubre, afirmando que sus estudios habían demostrado conversión de calor en trabajo pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el 27, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y esperaba una reconciliación de sus dos puntos de vista. Aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los próximos dos años se sintió cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y convencido de la de Joule. En su artículo de 1851, Thomson estaba dispuesto a ir solo a un compromiso y declaró "toda la teoría de la potencia motriz del calor se funda en dos proposiciones, debidas respectivamente a Joule, y a Carnot y Clausius".
Tan pronto como Joule leyó el artículo escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una colaboración fructífera, aunque en gran medida epistolar, entre los dos hombres, Joule realizando experimentos, Thomson analizando los resultados y sugiriendo más experimentos. La colaboración duró de 1852 a 1856, siendo sus descubrimientos el efecto Joule-Thomson, y los resultados publicados hicieron mucho para lograr la aceptación general del trabajo de Joule y la teoría cinética.
Teoría cinética
La cinética es la ciencia del movimiento. Joule fue un alumno de Dalton y no es sorpresa que haya aprendido una creencia firme en la teoría atómica, aunque había muchos científicos de su tiempo que todavía eran escépticos. También fue una de las pocas personas receptivas al trabajo descuidado de John Herapath sobre la teoría cinética de gases. Fue aún más profundamente influenciado por el artículo de Peter Ewart de 1813 On the measure of moving force.
Joule percibió la relación entre sus descubrimientos y la teoría cinética del calor. Sus cuadernos de laboratorio revelan que creía que el calor era una forma de movimiento rotacional, en lugar de translacional.
Joule no pudo resistirse a encontrar antecedentes de sus puntos de vista en Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Count Rumford y Sir Humphry Davy. Aunque tales puntos de vista están justificados, Joule continuó estimando un valor para el equivalente mecánico del calor de 1034 libras-pie a partir de las publicaciones de Rumford. Algunos escritores modernos han criticado este enfoque sobre la base de que los experimentos de Rumford de ninguna manera representaron mediciones cuantitativas sistemáticas. En una de sus notas personales, Joule sostiene que la medición de Mayer no era más precisa que la de Rumford, quizás con la esperanza de que Mayer no hubiera anticipado su propio trabajo.
A Joule se le ha atribuido la explicación del fenómeno del destello verde de la puesta de sol en una carta a la Literary and Ph de Manchester
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