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James Prescott Joule foi um físico, matemático e cervejeiro inglês, nascido em Salford, Lancashire. Joule estudou a natureza do calor e descobriu sua relação com o trabalho mecânico, veja energia. Isso levou à lei da conservação da energia, que por sua vez levou ao desenvolvimento da primeira lei da termodinâmica. A unidade de energia derivada do SI, o joule, é nomeada em sua homenagem.
Ele trabalhou com Lord Kelvin para desenvolver uma escala termométrica absoluta, que passou a ser chamada de escala Kelvin. Joule também fez observações sobre magnetostricção e descobriu a relação entre a corrente através de um resistor e o calor dissipado, também chamada de primeira lei de Joule. Seus experimentos sobre transformações de energia foram publicados pela primeira vez em 1843.
Primeiros anos
James Joule nasceu em 1818, filho de Benjamin Joule (1784–1858), um cervejeiro rico, e sua esposa, Alice Prescott, na New Bailey Street em Salford. Joule foi tutelado quando jovem pelo famoso cientista John Dalton e foi fortemente influenciado pelo químico William Henry e pelos engenheiros de Manchester Peter Ewart e Eaton Hodgkinson. Ele era fascinado por eletricidade, e ele e seu irmão fizeram experimentos se dando choques elétricos um ao outro e aos servos da família.
Como adulto, Joule gerenciava a cervejaria. A ciência era apenas um passatempo sério. Por volta de 1840, começou a investigar a viabilidade de substituir os motores a vapor da cervejaria pelo recém-inventado motor elétrico. Seus primeiros artigos científicos sobre o assunto foram contribuições para Annals of Electricity de William Sturgeon. Joule era membro da London Electrical Society, estabelecida por Sturgeon e outros.
Motivado em parte pelo desejo de um empresário de quantificar a economia da escolha, e em parte pela sua curiosidade científica, ele se propôs a determinar qual máquina motriz era mais eficiente. Ele descobriu a primeira lei de Joule em 1841, que o calor desenvolvido pela ação adequada de qualquer corrente voltaica é proporcional ao quadrado da intensidade dessa corrente, multiplicado pela resistência à condução que ela experimenta. Ele continuou a perceber que queimar uma libra de carvão em um motor a vapor era mais econômico do que uma custosa libra de zinco consumida em uma bateria elétrica. Joule capturou a saída dos métodos alternativos em termos de um padrão comum, a capacidade de elevar uma massa pesando uma libra a uma altura de um pé, o foot-pound.
No entanto, o interesse de Joule se desviou da questão financeira estreita para a de quanto trabalho poderia ser extraído de uma determinada fonte, levando-o a especular sobre a conversibilidade da energia. Em 1843, publicou resultados de experimentos mostrando que o efeito de aquecimento que havia quantificado em 1841 era devido à geração de calor no condutor e não sua transferência de outra parte do equipamento. Este foi um desafio direto à teoria calórica que afirmava que o calor não podia ser criado nem destruído. A teoria calórica havia dominado o pensamento na ciência do calor desde sua introdução por Antoine Lavoisier em 1783. O prestígio de Lavoisier e o sucesso prático da teoria calórica do motor térmico de Sadi Carnot desde 1824 garantiram que o jovem Joule, trabalhando fora da academia ou da profissão de engenheiro, tivesse um caminho difícil pela frente. Os apoiadores da teoria calórica apontaram prontamente para a simetria do efeito Peltier-Seebeck para afirmar que calor e corrente eram conversíveis em um processo, pelo menos aproximadamente, reversível.
O equivalente mecânico do calor
Experimentos e medições adicionais com seu motor elétrico levaram Joule a estimar o equivalente mecânico do calor como 4,1868 joules por caloria de trabalho para elevar a temperatura de um grama de água em um Kelvin. Ele anunciou seus resultados em uma reunião da seção química da British Association for the Advancement of Science em Cork em agosto de 1843 e foi recebido pelo silêncio.
Joule não se intimidou e começou a procurar uma demonstração puramente mecânica da conversão de trabalho em calor. Forçando água através de um cilindro perfurado, ele poderia medir o ligeiro aquecimento viscoso do fluido. Ele obteve um equivalente mecânico de 770 foot-pounds force por unidade térmica britânica (4.140 J/Cal). O fato de que os valores obtidos tanto por meios elétricos quanto puramente mecânicos estavam em concordância com pelo menos uma ordem de magnitude era, para Joule, evidência convincente da realidade da conversibilidade do trabalho em calor.
Sempre que a força mecânica é despendida, um equivalente exato de calor é sempre obtido.
Joule agora experimentou uma terceira rota. Ele mediu o calor gerado em relação ao trabalho realizado na compressão de um gás. Ele obteve um equivalente mecânico de 798 foot-pounds force por unidade térmica britânica (4.290 J/Cal). De muitas maneiras, este experimento ofereceu o alvo mais fácil para os críticos de Joule, mas Joule descartou as objeções antecipadas através de experimentação inteligente. Joule leu seu artigo para a Royal Society em 20 de junho de 1844, mas seu artigo foi rejeitado para publicação pela Royal Society e ele teve que se contentar em publicar na Philosophical Magazine em 1845. No artigo, ele foi franco em sua rejeição do raciocínio calórico de Carnot e Émile Clapeyron, uma rejeição parcialmente impulsionada teologicamente:
Concebi que esta teoria ... se opõe aos princípios reconhecidos da filosofia porque leva à conclusão de que vis viva pode ser destruída por uma disposição imprópria do aparelho: Assim, o Sr. Clapeyron conclui que 'a temperatura do fogo sendo 1000 °C a 2000 °C mais alta do que a da caldeira, há uma enorme perda de vis viva na passagem do calor do forno para a caldeira.' Acreditando que o poder de destruir pertence apenas ao Criador, afirmo ... que qualquer teoria que, quando desenvolvida, exija a aniquilação da força, é necessariamente errônea.
Joule aqui adota a linguagem da energia vis viva, possivelmente porque Hodgkinson tinha lido uma resenha do artigo "On the measure of moving force" de Ewart para a Literary and Philosophical Society em abril de 1844.
Joule escreveu em seu artigo de 1844:
... o poder mecânico exercido ao virar uma máquina magneto-elétrica é convertido no calor desenvolvido pela passagem das correntes de indução através de suas bobinas; e, por outro lado, que o poder motriz do motor eletromagnético é obtido à custa do calor devido às reações químicas da bateria pela qual é operado.
Em junho de 1845, Joule leu seu artigo "On the Mechanical Equivalent of Heat" (Sobre o Equivalente Mecânico do Calor) para a reunião da British Association em Cambridge. Neste trabalho, ele relatou seu experimento mais conhecido, envolvendo o uso de um peso em queda, em que a gravidade realiza o trabalho mecânico, para girar uma roda de pás em um barril isolado de água, o que aumentou a temperatura. Ele agora estimou um equivalente mecânico de 819 foot-pounds force por unidade térmica britânica (4.404 J/Cal). Ele escreveu uma carta para a Philosophical Magazine, publicada em setembro de 1845, descrevendo seu experimento.
Em 1850, Joule publicou uma medição refinada de 772.692 foot-pounds force por unidade térmica britânica (4.150 J/Cal), mais próxima aos estimativas do século vinte.
Recepção e prioridade
Muito da resistência inicial ao trabalho de Joule surgiu de sua dependência de medições extremamente precisas. Ele afirmava ser capaz de medir temperaturas dentro de 1⁄200 de um grau Fahrenheit (3 mK). Tal precisão era certamente incomum na física experimental contemporânea, mas seus céticos podem ter negligenciado sua experiência na arte da cervejaria e seu acesso às suas tecnologias práticas. Ele também foi apoiado de forma competente pelo fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer. Os experimentos de Joule complementaram o trabalho teórico de Rudolf Clausius, que é considerado por alguns como coinventor do conceito de energia.
Joule estava propondo uma teoria cinética do calor; ele acreditava ser uma forma de energia cinética rotacional, em vez de translacional, e isso exigiu um salto conceitual: se o calor era uma forma de movimento molecular, por que o movimento das moléculas não gradualmente morreria? As ideias de Joule exigiam que se acreditasse que as colisões de moléculas eram perfeitamente elásticas. Também devemos lembrar que a existência muito de átomos e moléculas não era amplamente aceita por mais 50 anos.
Embora possa ser difícil entender hoje o apelo da teoria calórica, na época parecia ter algumas vantagens claras. A teoria bem-sucedida de Carnot sobre motores de calor também havia sido baseada na suposição calórica, e só mais tarde foi provado por Lord Kelvin que a matemática de Carnot era igualmente válida sem assumir um fluido calórico.
No entanto, na Alemanha, Hermann Helmholtz ficou ciente do trabalho de Joule e do trabalho similar de 1842 de Julius Robert von Mayer. Embora ambos os homens tivessem sido negligenciados desde suas respectivas publicações, a declaração definitiva de Helmholtz em 1847 sobre a conservação da energia creditou a ambos.
Também em 1847, outra apresentação de Joule na British Association em Oxford foi assistida por George Gabriel Stokes, Michael Faraday e o precoce e maverick William Thomson, mais tarde para se tornar Lord Kelvin, que tinha acabado de ser nomeado professor de filosofia natural na Universidade de Glasgow. Stokes era "inclinado a ser um Joulite" e Faraday estava "muito impressionado com isso", embora nutrisse dúvidas. Thomson estava intrigado mas cético.
Inesperadamente, Thomson e Joule se encontraram mais tarde naquele ano em Chamonix. Joule se casou com Amelia Grimes em 18 de agosto e o casal foi em lua de mel. Apesar do entusiasmo conjugal, Joule e Thomson combinaram tentar um experimento alguns dias depois para medir a diferença de temperatura entre o topo e a base da cachoeira Cascade de Sallanches, embora isso posteriormente se mostrasse impraticável.
Embora Thomson sentisse que os resultados de Joule exigissem explicação teórica, ele se recuou em uma defesa veemente da escola Carnot-Clapeyron. Em sua conta de 1848 sobre temperatura absoluta, Thomson escreveu que "a conversão de calor ou calórico em efeito mecânico é provavelmente impossível, certamente não descoberta" – mas uma nota de rodapé sinalizou suas primeiras dúvidas sobre a teoria calórica, referindo-se às "descobertas muito notáveis" de Joule. Surpreendentemente, Thomson não enviou a Joule uma cópia de seu artigo, mas quando Joule finalmente o leu, escreveu a Thomson em 6 de outubro, afirmando que seus estudos demonstraram conversão de calor em trabalho, mas que estava planejando experimentos adicionais. Thomson respondeu no dia 27, revelando que estava planejando seus próprios experimentos e esperando uma reconciliação de suas duas visões. Embora Thomson não tivesse realizado novos experimentos, nos próximos dois anos ele ficou cada vez mais insatisfeito com a teoria de Carnot e convencido da de Joule. Em seu artigo de 1851, Thomson estava disposto a ir não mais longe do que um compromisso e declarou "toda a teoria do poder motriz do calor é fundada em duas proposições, devidas respectivamente a Joule e a Carnot e Clausius".
Assim que Joule leu o artigo, escreveu a Thomson com seus comentários e perguntas. Assim começou uma colaboração frutífera, embora em grande parte epistolar, entre os dois homens, com Joule realizando experimentos, Thomson analisando os resultados e sugerindo experimentos adicionais. A colaboração durou de 1852 a 1856, com suas descobertas incluindo o efeito Joule-Thomson, e os resultados publicados fizeram muito para trazer a aceitação geral do trabalho de Joule e da teoria cinética.
Teoria cinética
Cinética é a ciência do movimento. Joule foi aluno de Dalton e não é surpresa que tivesse aprendido uma convicção firme na teoria atômica, embora houvesse muitos cientistas de sua época que ainda eram céticos. Ele também havia sido uma das poucas pessoas receptivas ao trabalho negligenciado de John Herapath sobre a teoria cinética dos gases. Ele foi ainda profundamente influenciado pelo artigo de 1813 de Peter Ewart "On the measure of moving force".
Joule percebeu a relação entre suas descobertas e a teoria cinética do calor. Seus cadernos de laboratório revelam que ele acreditava que o calor era uma forma de movimento rotacional, em vez de translacional.
Joule não resistiu em encontrar antecedentes de suas visões em Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson, Conde de Rumford e Sir Humphry Davy. Embora tais visões sejam justificadas, Joule continuou a estimar um valor para o equivalente mecânico do calor de 1034 foot-pound a partir das publicações de Rumford. Alguns escritores modernos criticaram essa abordagem sob o argumento de que os experimentos de Rumford de forma alguma representaram medições quantitativas sistemáticas. Em uma de suas notas pessoais, Joule contende que a medição de Mayer não foi mais precisa do que a de Rumford, talvez na esperança de que Mayer não tivesse antecipado seu próprio trabalho.
Joule foi atribuído ao explicar o fenômeno do flash verde do pôr do sol em uma carta para o Manchester Literary and Ph
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