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James Prescott Joule era un fisico, matematico e birraio inglese, nato a Salford, Lancashire. Joule studiò la natura del calore e scoprì la sua relazione con il lavoro meccanico vedi energia. Questo portò alla legge di conservazione dell'energia, che a sua volta condusse allo sviluppo del primo principio della termodinamica. L'unità di energia derivata del SI, il joule, prende il nome da lui.
Lavorò con Lord Kelvin per sviluppare una scala termodinamica assoluta della temperatura, che divenne nota come scala Kelvin. Joule fece anche osservazioni sulla magnetostrizione e trovò la relazione tra la corrente attraverso un resistore e il calore dissipato, che è anche chiamata primo principio di Joule. I suoi esperimenti sulle trasformazioni di energia furono pubblicati per la prima volta nel 1843.
Primi anni
James Joule nacque nel 1818, figlio di Benjamin Joule 1784–1858, un ricco birraio, e di sua moglie, Alice Prescott, in New Bailey Street a Salford. Joule fu istruito da giovane dal famoso scienziato John Dalton e fu fortemente influenzato dal chimico William Henry e dagli ingegneri di Manchester Peter Ewart e Eaton Hodgkinson. Era affascinato dall'elettricità, e lui e suo fratello fecero esperimenti dando scariche elettriche l'uno all'altro e ai domestici della famiglia.
Da adulto, Joule gestì la birreria. La scienza era semplicemente un hobby serio. Intorno al 1840, iniziò a investigare la fattibilità di sostituire i motori a vapore della birreria con il motore elettrico appena inventato. I suoi primi articoli scientifici sull'argomento furono contribuiti agli Annals of Electricity di William Sturgeon. Joule era membro della London Electrical Society, stabilita da Sturgeon e altri.
Motivato in parte dal desiderio di un uomo d'affari di quantificare l'economia della scelta, e in parte dalla sua curiosità scientifica, si mise a determinare quale motore primo fosse più efficiente. Scoprì il primo principio di Joule nel 1841, secondo il quale il calore generato dalla corretta azione di qualsiasi corrente voltaica è proporzionale al quadrato dell'intensità di quella corrente, moltiplicato per la resistenza alla conduzione che incontra. Arrivò a realizzare che bruciare una libbra di carbone in un motore a vapore era più economico che una costosa libbra di zinco consumata in una batteria elettrica. Joule catturò l'output dei metodi alternativi in termini di uno standard comune, la capacità di sollevare una massa che pesa una libbra a un'altezza di un piede, il foot-pound.
Tuttavia, l'interesse di Joule si distolse dalla stretta questione finanziaria a quella di quanta energia potesse essere estratta da una data fonte, portandolo a speculare sulla convertibilità dell'energia. Nel 1843 pubblicò i risultati di esperimenti che mostravano che l'effetto di riscaldamento che aveva quantificato nel 1841 era dovuto alla generazione di calore nel conduttore e non al suo trasferimento da un'altra parte dell'apparecchiatura. Questo era una sfida diretta alla teoria calorifera che sosteneva che il calore non poteva essere né creato né distrutto. La teoria calorifera ha dominato il pensiero nella scienza del calore dal suo introduzione da parte di Antoine Lavoisier nel 1783. Il prestigio di Lavoisier e il successo pratico della teoria calorifera dei motori termici di Sadi Carnot dal 1824 garantivano che il giovane Joule, che lavorava al di fuori dell'accademia o della professione ingegneristica, avesse una strada difficile davanti. I sostenitori della teoria calorifera puntavano prontamente alla simmetria dell'effetto Peltier–Seebeck per affermare che il calore e la corrente erano convertibili in un processo almeno approssimativamente reversibile.
L'equivalente meccanico del calore
Ulteriori esperimenti e misurazioni con il suo motore elettrico portarono Joule a stimare l'equivalente meccanico del calore come 4,1868 joule per caloria di lavoro per innalzare la temperatura di un grammo di acqua di un Kelvin. Annunciò i suoi risultati a una riunione della sezione chimica della British Association for the Advancement of Science a Cork nell'agosto 1843 e fu accolto dal silenzio.
Joule non si scoraggiò e iniziò a cercare una dimostrazione puramente meccanica della conversione del lavoro in calore. Forzando l'acqua attraverso un cilindro forato, poteva misurare il lieve riscaldamento viscoso del fluido. Ottenne un equivalente meccanico di 770 foot-pounds force per British thermal unit 4.140 J/Cal. Il fatto che i valori ottenuti sia per via elettrica che puramente meccanica fossero in accordo almeno per un ordine di grandezza era, per Joule, una prova convincente della realtà della convertibilità del lavoro in calore.
Ovunque si esercita una forza meccanica, si ottiene sempre un equivalente esatto di calore.
Joule ora tentò una terza strada. Misurò il calore generato rispetto al lavoro eseguito comprimendo un gas. Ottenne un equivalente meccanico di 798 foot-pounds force per British thermal unit 4.290 J/Cal. In molti modi, questo esperimento offriva il bersaglio più facile per i critici di Joule, ma Joule si sbarazzò delle obiezioni previste con esperimenti intelligenti. Joule lesse il suo articolo alla Royal Society il 20 giugno 1844, ma il suo articolo fu rifiutato per la pubblicazione dalla Royal Society e dovette accontentarsi di pubblicare in Philosophical Magazine nel 1845. Nell'articolo fu esplicito nel suo rifiuto del ragionamento calorifico di Carnot e Émile Clapeyron, un rifiuto in parte guidato dalla teologia:
Ritengo che questa teoria ... sia contraria ai principi riconosciuti della filosofia perché conduce alla conclusione che la vis viva può essere distrutta da una disposizione impropria dell'apparecchiatura: Così il signor Clapeyron trae l'inferenza che "la temperatura del fuoco essendo 1000 °C a 2000 °C superiore a quella della caldaia c'è un'enorme perdita di vis viva nel passaggio del calore dalla fornace alla caldaia." Credendo che il potere di distruggere appartiene solo al Creatore affermo ... che qualsiasi teoria che, se sviluppata, richiede l'annichilimento della forza, è necessariamente erronea.
Joule qui adotta il linguaggio dell'energia vis viva, probabilmente perché Hodgkinson aveva letto una revisione del Sulla misura della forza motrice di Ewart alla Literary and Philosophical Society nell'aprile 1844.
Joule scrisse nel suo articolo del 1844:
... la potenza meccanica esercitata nel girare una macchina magnetoelettrica viene convertita nel calore generato dal passaggio delle correnti di induzione attraverso le sue bobine; e, d'altra parte, la potenza motrice del motore elettromagnetico è ottenuta a spese del calore dovuto alle reazioni chimiche della batteria con cui è azionato.
Nel giugno 1845, Joule lesse il suo articolo Sull'equivalente meccanico del calore alla riunione della British Association a Cambridge. In questo lavoro, riportò il suo esperimento più noto, che comportava l'uso di un peso cadente, in cui la gravità svolge il lavoro meccanico, per far girare una ruota a palette in un barile di acqua isolato che aumentava la temperatura. Ora stimò un equivalente meccanico di 819 foot-pounds force per British thermal unit 4.404 J/Cal. Scrisse una lettera a Philosophical Magazine, pubblicata nel settembre 1845 descrivendo il suo esperimento.
Nel 1850, Joule pubblicò una misura perfezionata di 772.692 foot-pounds force per British thermal unit 4.150 J/Cal, più vicina alle stime del ventesimo secolo.
Accoglienza e priorità
Gran parte della resistenza iniziale al lavoro di Joule derivava dalla sua dipendenza da misurazioni estremamente precise. Affermava di poter misurare le temperature entro 1⁄200 di grado Fahrenheit 3 mK. Tale precisione era certamente inusuale nella fisica sperimentale contemporanea, ma i suoi scettici potrebbero aver trascurato la sua esperienza nell'arte della birreria e l'accesso alle sue tecnologie pratiche. Fue anche ben supportato dal costruttore di strumenti scientifici John Benjamin Dancer. Gli esperimenti di Joule completavano il lavoro teorico di Rudolf Clausius, considerato da alcuni come il co-inventore del concetto di energia.
Joule stava proponendo una teoria cinetica del calore, credeva che fosse una forma di energia cinetica rotazionale, piuttosto che traslazionale, e questo richiedeva un salto concettuale: se il calore era una forma di moto molecolare, perché il moto delle molecole non si estingueva gradualmente? Le idee di Joule richiedevano di credere che gli urti delle molecole fossero perfettamente elastici. Dovremmo anche ricordare che l'esistenza stessa di atomi e molecole non fu ampiamente accettata per altri 50 anni.
Sebbene possa essere difficile comprendere oggi il fascino della teoria calorifera, all'epoca sembrava avere alcuni chiari vantaggi. La teoria di successo dei motori termici di Carnot era stata anche basata sull'assunzione calorifera, e solo in seguito fu provato da Lord Kelvin che la matematica di Carnot era ugualmente valida senza assumere un fluido calorifico.
Tuttavia, in Germania, Hermann Helmholtz divenne consapevole sia del lavoro di Joule che del lavoro simile del 1842 di Julius Robert von Mayer. Sebbene entrambi gli uomini fossero stati trascurati da quando le loro rispettive pubblicazioni, la dichiarazione definitiva della conservazione dell'energia di Helmholtz del 1847 li accreditava entrambi.
Anche nel 1847, un'altra presentazione di Joule alla British Association a Oxford fu seguita da George Gabriel Stokes, Michael Faraday e il precoce e ribelle William Thomson, che in seguito divenne Lord Kelvin, che era stato appena nominato professore di filosofia naturale all'Università di Glasgow. Stokes era "incline a essere un Joulite" e Faraday era "molto colpito da questo" anche se nutriva dubbi. Thomson era incuriosito ma scettico.
Inaspettatamente, Thomson e Joule si incontrarono più tardi quell'anno a Chamonix. Joule sposò Amelia Grimes il 18 agosto e la coppia andò in luna di miele. Nonostante l'entusiasmo coniugale, Joule e Thomson si arrangiano per tentare un esperimento pochi giorni dopo per misurare la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore della cascata di Sallanches, anche se questo in seguito si rivelò impraticabile.
Anche se Thomson sentiva che i risultati di Joule richiedevano una spiegazione teorica, si ritirò in una difesa decisa della scuola Carnot-Clapeyron. Nel suo resoconto del 1848 sulla temperatura assoluta, Thomson scrisse che "la conversione del calore o del calorifico in effetto meccanico è probabilmente impossibile, certamente non scoperta" – ma una nota a piè di pagina segnalò i suoi primi dubbi sulla teoria calorifera, facendo riferimento alle "scoperte molto straordinarie" di Joule. Sorprendentemente, Thomson non inviò a Joule una copia del suo articolo, ma quando Joule alla fine lo lesse scrisse a Thomson il 6 ottobre, affermando che i suoi studi avevano dimostrato la conversione del calore in lavoro ma che stava pianificando ulteriori esperimenti. Thomson rispose il 27°, rivelando che stava pianificando i suoi esperimenti e sperando in una riconciliazione delle loro due visioni. Sebbene Thomson non conducesse nuovi esperimenti, nei successivi due anni divenne sempre più insoddisfatto della teoria di Carnot e convinto di quella di Joule. Nel suo articolo del 1851, Thomson era disposto ad andare non oltre un compromesso e dichiarò "l'intera teoria della potenza motrice del calore si fonda su due proposizioni, dovute rispettivamente a Joule, e a Carnot e Clausius".
Non appena Joule lesse l'articolo scrisse a Thomson con i suoi commenti e domande. Iniziò così una collaborazione fruttuosa, anche se in gran parte epistolare, tra i due uomini, Joule conducendo esperimenti, Thomson analizzando i risultati e suggerendo ulteriori esperimenti. La collaborazione durò dal 1852 al 1856, le sue scoperte includono l'effetto Joule–Thomson, e i risultati pubblicati fecero molto per portare l'accettazione generale del lavoro di Joule e della teoria cinetica.
Teoria cinetica
La cinetica è la scienza del movimento. Joule era uno studente di Dalton e non è sorprendente che avesse imparato una ferma convinzione della teoria atomica, anche se c'erano molti scienziati del suo tempo che erano ancora scettici. Era stato anche uno dei pochi a ricevere il lavoro trascurato di John Herapath sulla teoria cinetica dei gas. Fu inoltre profondamente influenzato dall'articolo del 1813 di Peter Ewart Sulla misura della forza motrice.
Joule ha percepito la relazione tra le sue scoperte e la teoria cinetica del calore. I suoi quaderni di laboratorio rivelano che credeva che il calore fosse una forma di movimento rotazionale, piuttosto che traslazionale.
Joule non potè resistere a trovare antecedenti delle sue opinioni in Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Conte Rumford e Sir Humphry Davy. Sebbene tali opinioni siano giustificate, Joule andò avanti per stimare un valore per l'equivalente meccanico del calore di 1034 foot-pound dalle pubblicazioni di Rumford. Alcuni scrittori moderni hanno criticato questo approccio sul motivo che gli esperimenti di Rumford in nessun modo rappresentavano misurazioni quantitative sistematiche. In una delle sue note personali, Joule sostiene che la misura di Mayer non era più accurata di quella di Rumford, forse nella speranza che Mayer non avesse anticipato il proprio lavoro.
A Joule è stato attribuito il merito di aver spiegato il fenomeno del lampo verde del tramonto in una lettera alla Manchester Literary and Ph
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