James Prescott Joule FRS FRSE ( / dʒ uː l / ; [1] [2] [a] 24 de diciembre de 1818 - 11 de octubre de 1889) 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 . Esto condujo a la ley de conservación de la energía , que a su vez condujo al desarrollo de la primera ley de la termodinámica . La unidad de energía derivada del SI , el julio , lleva su nombre.
Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar una escala de temperatura termodinámica absoluta, que llegó a denominarse escala Kelvin . Joule también hizo observaciones de magnetoestricción y encontró la relación entre la corriente que pasa por una resistencia y el calor disipado , lo que también se llama primera ley de Joule . Sus experimentos sobre transformaciones de energía se publicaron por primera vez en 1843.
James Joule nació en 1818, hijo de Benjamin Joule (1784-1858), un rico cervecero , y su esposa, Alice Prescott, en New Bailey Street en Salford . [3] Joule fue instruido cuando era joven por el famoso científico John Dalton y fue fuertemente influenciado por el químico William Henry y los ingenieros de Manchester Peter Ewart y Eaton Hodgkinson . Estaba fascinado por la electricidad y él y su hermano experimentaron aplicándose descargas eléctricas entre sí y a los sirvientes de la familia. [4]
De adulto, Joule dirigió la cervecería. La ciencia era simplemente un pasatiempo serio. Alrededor de 1840, comenzó a investigar la viabilidad de sustituir las máquinas de vapor de la cervecería por el recién inventado motor eléctrico . Sus primeros artículos científicos sobre el tema se publicaron en Annals of Electricity de William Sturgeon . Joule era miembro de la Sociedad Eléctrica de Londres , establecida por Sturgeon y otros. [ cita necesaria ]
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 qué motor primario era más eficiente. Descubrió la primera ley de Joule en 1841, según la cual "el calor que se desprende 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". [5] Luego se dio cuenta de que quemar una libra de carbón en una máquina de vapor era más económico que una costosa libra de zinc consumida en una batería eléctrica . Joule capturó el resultado 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, el pie-libra . [ cita necesaria ]
Sin embargo, el interés de Joule se desvió de la estrecha cuestión financiera hacia la de cuánto trabajo se podría extraer de una fuente determinada, lo que le llevó a especular sobre la convertibilidad de la energía. En 1843 publicó los 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 a su transferencia desde otra parte del equipo. Este fue un desafío directo a la teoría calórica que sostenía que el calor no podía crearse ni destruirse. La teoría calórica había dominado el pensamiento en la ciencia del calor desde que Antoine Lavoisier la introdujo en 1783. El prestigio de Lavoisier y el éxito práctico de la teoría calórica de la máquina térmica de Sadi Carnot desde 1824 aseguraron que el joven Joule, que trabajaba fuera de la academia o de la ingeniería, profesión, tenía un camino difícil por delante. Los partidarios de la teoría calórica señalaron fácilmente la simetría del efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente eran convertibles en un proceso, al menos aproximadamente, reversible . [ cita necesaria ]
Otros experimentos y mediciones con su motor eléctrico llevaron a Joule a estimar el equivalente mecánico del calor en 4,1868 julios por caloría de trabajo para elevar la temperatura de un gramo de agua en un Kelvin. [b] Anunció sus resultados en una reunión de la sección química de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Cork en agosto de 1843 y fue recibido en silencio. [7]
Joule no se dejó intimidar y empezó a buscar una demostración puramente mecánica de la conversión del trabajo en calor. Haciendo pasar 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 (4140 J/Cal). El hecho de que los valores obtenidos por medios eléctricos y puramente mecánicos coincidieran al menos en dos dígitos significativos era, para Joule, una prueba convincente de la realidad de la convertibilidad del trabajo en calor.
Dondequiera que se aplica fuerza mecánica, siempre se obtiene un equivalente exacto de calor.
— JP Joule, agosto de 1843
Joule intentó ahora una tercera ruta. Midió el calor generado frente al trabajo realizado al comprimir un gas. Obtuvo un equivalente mecánico de 798 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica (4290 J/Cal). En muchos sentidos, este experimento ofreció el blanco más fácil para los críticos de Joule, pero Joule eliminó las objeciones anticipadas mediante una experimentación inteligente. Joule leyó su artículo ante la Royal Society el 20 de junio de 1844, [8] [9] pero la Royal Society rechazó su publicación y tuvo que contentarse con publicarlo en la Philosophical Magazine en 1845. [10] En el En su artículo fue franco en su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron , un rechazo en parte motivado teológicamente : [ cita requerida ]
Concibo que esta teoría... se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque lleva a la conclusión de que la vis viva puede ser destruida por una disposición inadecuada del aparato: Así, el Sr. Clapeyron saca la conclusión de que "la temperatura del fuego siendo 1.000 °C a 2.000 °C por encima de la temperatura de la caldera, se produce una enorme pérdida de vis viva en el paso del calor del horno a la caldera.' Creyendo que el poder de destruir pertenece sólo al Creador, afirmo... que cualquier teoría que, cuando se lleva a cabo, exige la aniquilación de la fuerza, es necesariamente errónea.
Joule adopta aquí el lenguaje de vis viva (energía), posiblemente porque Hodgkinson había leído una reseña de Sobre la medida de la fuerza en movimiento de Ewart en la Sociedad Literaria y Filosófica en abril de 1844. [ cita necesaria ]
Joule escribió en su artículo de 1844: [ cita necesaria ]
... la potencia mecánica ejercida al hacer girar una máquina magnetoeléctrica se convierte en calor desprendido 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 lo acciona.
En junio de 1845, Joule leyó su artículo Sobre el equivalente mecánico del calor en la reunión de la Asociación Británica en Cambridge . [11] En este trabajo, informó sobre su experimento más conocido, que implicaba el uso de un peso que caía, en el que la gravedad realiza el trabajo mecánico, para hacer girar una rueda de paletas en un barril aislado de agua, lo que aumentaba 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 Revista Filosófica, publicada en septiembre de 1845, describiendo su experimento. [12]
En 1850, Joule publicó una medida refinada de 772,692 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica (4150 J/Cal), más cercana a las estimaciones del siglo XX. [13]
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Gran parte de la resistencia inicial al trabajo de Joule surgió de su dependencia de mediciones extremadamente precisas . Afirmó ser capaz de medir temperaturas con una precisión de 1 ⁄ 200 grados Fahrenheit (3 mK). Ciertamente, tal precisión era poco común en la física experimental contemporánea, pero sus escépticos pueden haber descuidado su experiencia en el arte de la elaboración de cerveza y su acceso a sus tecnologías prácticas. [14] También contó con el hábil apoyo del fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer . Los experimentos de Joule complementaron el trabajo teórico de Rudolf Clausius , a quien algunos consideran el coinventor del concepto de energía. [ cita necesaria ]
Joule estaba proponiendo una teoría cinética del calor (creía que era una forma de energía cinética rotacional, en lugar de traslacional ), y esto requería un salto conceptual: si el calor era una forma de movimiento molecular, ¿por qué el movimiento de las moléculas? ¿No se extinguirá gradualmente? Las ideas de Joule exigían creer que las colisiones de moléculas eran perfectamente elásticas. Es importante destacar que la existencia misma de átomos y moléculas no fue ampliamente aceptada hasta pasados 50 años. [ cita necesaria ]
Aunque hoy en día puede resultar difícil comprender el atractivo de la teoría calórica , en aquel momento parecía tener algunas ventajas claras. La exitosa teoría de Carnot sobre las máquinas térmicas también se había basado en el supuesto calórico, y sólo más tarde Lord Kelvin demostró que las matemáticas de Carnot eran igualmente válidas sin suponer un fluido calórico. [ cita necesaria ]
Sin embargo, en Alemania, Hermann Helmholtz se dio cuenta tanto del trabajo de Joule como del trabajo similar de 1842 de Julius Robert von Mayer . Aunque ambos hombres habían sido ignorados desde sus respectivas publicaciones, la declaración definitiva de Helmholtz de 1847 sobre la conservación de la energía los acreditaba a ambos. [ cita necesaria ]
También en 1847, a otra de las presentaciones de Joule en la Asociación Británica de Oxford asistieron George Gabriel Stokes , Michael Faraday y el precoz e inconformista William Thomson , que más tarde se convertiría en Lord Kelvin, que acababa de ser nombrado profesor de filosofía natural en la Universidad. de Glasgow . Stokes estaba "inclinado a ser un Joulite" y Faraday estaba "muy impresionado", aunque albergaba dudas. Thomson estaba intrigado pero escéptico. [ cita necesaria ]
Inesperadamente, Thomson y Joule se conocieron ese mismo año en Chamonix . Joule se casó con Amelia Grimes el 18 de agosto y la pareja se fue de luna de miel. A pesar del entusiasmo matrimonial, Joule y Thomson acordaron 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 posteriormente esto resultó poco práctico. [ cita necesaria ]
Aunque Thomson consideró que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se retiró a una enérgica defensa de la escuela Carnot - Clapeyron . En su relato de 1848 sobre la temperatura absoluta , Thomson escribió que "la conversión de calor (o calórico) en efecto mecánico es probablemente imposible, ciertamente no ha sido descubierta" [15] [16] – pero una nota a pie de página señaló sus primeras dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los "muy notables descubrimientos" de Joule. Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando finalmente Joule lo leyó, le escribió a Thomson el 6 de octubre, afirmando que sus estudios habían demostrado la conversión de calor en trabajo, pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el día 27, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y esperando una reconciliación de sus dos puntos de vista. Aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los dos años siguientes estuvo cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y convencido de la de Joule. En su artículo de 1851, Thomson no estaba dispuesto a ir más allá de un compromiso y declaró que "toda la teoría de la fuerza motriz del calor se basa en dos proposiciones, debidas respectivamente a Joule, Carnot y Clausius". [ cita necesaria ]
Tan pronto como Joule leyó el artículo, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una colaboración fructífera, aunque en gran medida epistolar, entre los dos hombres: Joule dirigió experimentos y Thomson analizó los resultados y sugirió nuevos experimentos. La colaboración duró de 1852 a 1856, sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule-Thomson y los resultados publicados contribuyeron en gran medida a lograr la aceptación general del trabajo de Joule y la teoría cinética . [ cita necesaria ]
La cinética es la ciencia del movimiento. Joule fue alumno de Dalton y no sorprende que hubiera aprendido a creer firmemente en la teoría atómica , aunque había muchos científicos de su época que todavía se mostraban escépticos. También había sido una de las pocas personas receptivas al trabajo olvidado de John Herapath sobre la teoría cinética de los gases . Además, estuvo profundamente influenciado por el artículo de Peter Ewart de 1813 "Sobre la medida de la fuerza en movimiento". [ cita necesaria ]
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 de rotación, más que de traslación. [ cita necesaria ]
Joule no pudo resistirse a encontrar antecedentes de sus puntos de vista en Francis Bacon , Sir Isaac Newton , John Locke , Benjamin Thompson (Conde Rumford) y Sir Humphry Davy . Aunque tales opiniones están justificadas, Joule pasó a estimar un valor para el equivalente mecánico del calor de 1.034 libras-pie a partir de las publicaciones de Rumford. Algunos escritores modernos han criticado este enfoque basándose en que los experimentos de Rumford de ninguna manera representaban mediciones cuantitativas sistemáticas. En una de sus notas personales, Joule sostiene que la medición de Mayer no era más precisa que la de Rumford, tal vez con la esperanza de que Mayer no hubiera anticipado su propio trabajo. [ cita necesaria ]
A Joule se le ha atribuido la explicación del fenómeno del destello verde del atardecer en una carta a la Sociedad Filosófica y Literaria de Manchester en 1869; en realidad, simplemente notó (con un boceto) que el último vistazo era de color verde azulado, sin intentar explicar la causa del fenómeno. [17]
Joule murió en su casa en Sale [18] y está enterrado allí en el cementerio de Brooklands . Su lápida está inscrita con el número "772,55", su medición climatérica de 1878 del equivalente mecánico del calor, en la que descubrió que esta cantidad de libras-pie de trabajo debe gastarse al nivel del mar para elevar la temperatura de una libra de agua. de60 °F a61°F . También hay una cita del Evangelio de Juan : "Me es necesario hacer la obra del que me envió, mientras es de día; llega la noche, cuando nadie puede trabajar". [19] El pub Wetherspoon's en Sale , la ciudad donde murió, lleva su nombre "The JP Joule".
Los numerosos honores y elogios de Joule incluyen:
Hay un monumento a Joule en el pasillo norte del coro de la Abadía de Westminster , [21] aunque no está enterrado allí, al contrario de lo que afirman algunas biografías. Una estatua de Joule de Alfred Gilbert se encuentra en el Ayuntamiento de Manchester , frente a la de Dalton.
Joule se casó con Amelia Grimes en 1847. Ella murió en 1854, siete años después de su boda. Tuvieron tres hijos juntos: un hijo, Benjamin Arthur Joule (1850-1922), una hija, Alice Amelia (1852-1899) y un segundo hijo, Joe (nacido en 1854, murió tres semanas después).
Obituario de James Joule.
