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 joule , lleva su nombre.
Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar una escala de temperatura termodinámica absoluta, que pasó a llamarse escala Kelvin . Joule también realizó observaciones sobre la magnetostricción y descubrió la relación entre la corriente que pasa por un resistor y el calor disipado , que también se denomina primera ley de Joule . Sus experimentos sobre las 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 dándose descargas eléctricas entre ellos y a los sirvientes de la familia. [4]
De adulto, Joule se hizo cargo de la cervecería. La ciencia era apenas un pasatiempo serio. En algún momento alrededor de 1840, comenzó a investigar la viabilidad de reemplazar las máquinas de vapor de la cervecería por el recién inventado motor eléctrico . Sus primeros artículos científicos sobre el tema fueron publicados en Annals of Electricity de William Sturgeon . Joule era miembro de la London Electrical Society , fundada por Sturgeon y otros. [ cita requerida ]
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, que "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 requerida ]
Sin embargo, el interés de Joule se desvió de la estrecha cuestión financiera hacia la de cuánto trabajo se podía extraer de una fuente dada, lo que lo llevó a especular sobre la convertibilidad de la energía. En 1843 publicó los resultados de experimentos que demostraban 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. Esto fue un desafío directo a la teoría calórica que sostenía que el calor no se podía crear ni destruir. 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 Sadi Carnot del motor térmico desde 1824 aseguraron que el joven Joule, trabajando fuera del ámbito académico o de la profesión de ingeniería, tuviera un camino difícil por delante. Los partidarios de la teoría calórica señalaron rápidamente la simetría del efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente eran convertibles en un proceso , al menos aproximadamente, reversible . [ cita requerida ]
Experimentos y mediciones posteriores 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 con silencio. [7]
Joule no se amilanó y comenzó a buscar una demostración puramente mecánica de la conversión de trabajo en calor. Al hacer pasar agua a través de un cilindro perforado, pudo medir el ligero calentamiento viscoso del fluido. Obtuvo un equivalente mecánico de 770 libras-pie fuerza por unidad térmica británica (4140 J/cal). El hecho de que los valores obtenidos tanto por medios eléctricos como por medios puramente mecánicos coincidieran al menos en dos dígitos significativos fue, para Joule, una prueba contundente de la realidad de la convertibilidad del trabajo en calor.
Dondequiera que se gaste fuerza mecánica, siempre se obtiene un equivalente exacto de calor.
— JP Joule, agosto de 1843
Joule probó una tercera vía. Midió el calor generado en relación con el trabajo realizado al comprimir un gas. Obtuvo un equivalente mecánico de 798 libras-pie fuerza por unidad térmica británica (4290 J/cal). En muchos sentidos, este experimento ofrecía el objetivo más fácil para los críticos de Joule, pero Joule desechó las objeciones anticipadas mediante una experimentación inteligente. Joule leyó su artículo en la Royal Society el 20 de junio de 1844, [8] [9] pero su artículo fue rechazado para su publicación por la Royal Society y tuvo que contentarse con publicarlo en la Philosophical Magazine en 1845. [10] En el artículo, fue franco en su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron , un rechazo en parte motivado por la teología : [ cita requerida ]
Considero que esta teoría... se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque conduce a la conclusión de que la vis viva puede ser destruida por una disposición inadecuada del aparato: Así, el Sr. Clapeyron saca la inferencia de que 'al ser la temperatura del fuego de 1000 °C a 2000 °C más alta que la de la caldera, hay una enorme pérdida de vis viva en el paso del calor del horno a la caldera'. Creyendo que el poder de destruir pertenece solo 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 On the measure of moving force de Ewart en la Literary and Philosophical Society en abril de 1844. [ cita requerida ]
En junio de 1845, Joule leyó su artículo On the Mechanical Equivalent of Heat (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 realizaba el trabajo mecánico, para hacer girar una rueda de paletas en un barril aislado de agua que aumentaba la temperatura. Ahora estimó un equivalente mecánico de 819 libras-pie fuerza por unidad térmica británica (4404 J/Cal). Escribió una carta a la revista Philosophical Magazine, publicada en septiembre de 1845, describiendo su experimento. [12]
En 1850, Joule publicó una medida refinada de 772,692 libras-pie 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 se debió a su dependencia de mediciones extremadamente precisas . Afirmaba ser capaz de medir temperaturas con una precisión de 1 ⁄ 200 de grado Fahrenheit (3 mK). Tal precisión era ciertamente 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 recibió 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 requerida ]
Joule proponía 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 extinguía gradualmente? Las ideas de Joule requerían que uno creyera que las colisiones de las moléculas eran perfectamente elásticas. Es importante destacar que la existencia misma de átomos y moléculas no fue ampliamente aceptada hasta 50 años después. [ cita requerida ]
Aunque hoy puede resultar difícil comprender el atractivo de la teoría calórica , en su momento pareció tener algunas ventajas claras. La exitosa teoría de Carnot sobre los motores térmicos también se había basado en el supuesto calórico, y solo más tarde Lord Kelvin demostró que las matemáticas de Carnot eran igualmente válidas sin suponer un fluido calórico. [ cita requerida ]
Sin embargo, en Alemania, Hermann Helmholtz se enteró tanto del trabajo de Joule como del trabajo similar de Julius Robert von Mayer de 1842. Aunque ambos hombres habían sido ignorados desde sus respectivas publicaciones, la declaración definitiva de Helmholtz de 1847 sobre la conservación de la energía les dio crédito a ambos. [ cita requerida ]
También en 1847, otra de las presentaciones de Joule en la Asociación Británica en Oxford contó con la presencia de George Gabriel Stokes , Michael Faraday y el precoz e inconformista William Thomson , que más tarde se convertiría en Lord Kelvin, quien acababa de ser nombrado profesor de filosofía natural en la Universidad de Glasgow . Stokes estaba "inclinado a ser un joulista" y Faraday estaba "muy impresionado por ello", aunque albergaba dudas. Thomson estaba intrigado pero escéptico. [ cita requerida ]
Sin que nadie lo hubiera previsto, Thomson y Joule se conocieron más tarde ese 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 conyugal, 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 de Sallanches , aunque posteriormente resultó poco práctico. [ cita requerida ]
Aunque Thomson consideró que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se replegó en una defensa enérgica de la escuela de 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 descubierta" [15] [16] - pero una nota a pie de página señaló sus primeras dudas sobre la teoría del calórico, haciendo referencia a los "descubrimientos muy notables" de Joule. Sorprendentemente, Thomson no le envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente 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 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 siguientes 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 no quiso 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, y a Carnot y Clausius". [ cita requerida ]
Tan pronto como Joule leyó el artículo, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una fructífera, aunque en gran parte epistolar, colaboración entre los dos hombres: Joule realizaba experimentos, Thomson analizaba los resultados y sugería más experimentos. La colaboración duró desde 1852 hasta 1856; sus descubrimientos, incluido 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 requerida ]
La cinética es la ciencia del movimiento. Joule fue alumno de Dalton y no sorprende que hubiera adquirido una firme creencia en la teoría atómica , a pesar de que muchos científicos de su época todavía eran escépticos. También había sido una de las pocas personas receptivas al trabajo olvidado de John Herapath sobre la teoría cinética de los gases . Además, recibió una profunda influencia del artículo de Peter Ewart de 1813 "Sobre la medida de la fuerza en movimiento". [ cita requerida ]
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 rotatorio, en lugar de traslacional. [ cita requerida ]
Joule no pudo resistirse a buscar antecedentes de sus ideas en Francis Bacon , Sir Isaac Newton , John Locke , Benjamin Thompson (el conde de Rumford) y Sir Humphry Davy . Aunque estas ideas están justificadas, Joule llegó 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 con el argumento de que los experimentos de Rumford no representaban en modo alguno 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 requerida ]
Se le ha atribuido a Joule la explicación del fenómeno del destello verde del atardecer en una carta a la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester en 1869; en realidad, simplemente anotó (con un boceto) el último destello como verde azulado, sin intentar explicar la causa del fenómeno. [17]
Joule murió en su casa de Sale [18] y está enterrado en el cementerio de Brooklands . Su lápida lleva inscrito 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 dura el día; la noche viene, cuando nadie puede trabajar". [19] El pub Wetherspoon's en Sale , la ciudad donde murió, se llama "The JP Joule" en su honor.
Los numerosos honores y reconocimientos que Joule ha recibido incluyen:
Hay un monumento a Joule en el pasillo del coro norte de la Abadía de Westminster , [21] aunque no está enterrado allí, contrariamente a lo que afirman algunas biografías. Una estatua de Joule realizada por 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, fallecido tres semanas después).
Obituario de James Joule.
