Joule de James Prescott

Un motor eléctrico presentado a Kelvin por James Joule en 1842. Museo Hunterian, Glasgow.

James Prescott Joule FRS FRSE (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 se denominó escala Kelvin. Joule también hizo observaciones de magnetoestricción y encontró la relación entre la corriente a través de una resistencia y el calor disipado, que también se conoce como la 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 rico cervecero, y su esposa, Alice Prescott, en New Bailey Street en Salford. Joule fue instruido cuando era joven por el famoso científico John Dalton y estuvo 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.

De adulto, Joule dirigió la cervecería. La ciencia era simplemente un pasatiempo serio. En algún momento 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 publicados en Annals of Electricity de William Sturgeon. Joule era miembro de la Sociedad Eléctrica de Londres, 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 dispuso a determinar qué motor primario era más eficiente. Descubrió la primera ley de Joule en 1841, que el calor que se desprende de 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 . 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.

Sin embargo, el interés de Joule se desvió de la estrecha cuestión financiera a la cantidad de trabajo que se podía extraer de una fuente determinada, lo que lo 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, trabajando fuera de la academia o de la profesión de ingeniería, 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.

El equivalente mecánico del calor

Más 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. 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 por el silencio.

Joule no se desanimó y comenzó 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 tanto por medios eléctricos como puramente mecánicos estuvieran de acuerdo en al menos un orden de magnitud era, para Joule, una prueba convincente de la realidad de la convertibilidad del trabajo en calor.

Dondequiera que la fuerza mecánica sea gastada, siempre se obtiene un equivalente exacto del calor.

—J.P. Joule, August, 1843

Joule ahora probó una tercera ruta. Midió el calor generado contra el 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 objetivo más fácil para los críticos de Joule, pero Joule eliminó las objeciones anticipadas mediante una experimentación inteligente. Joule leyó su artículo en la Royal Society el 20 de junio de 1844, pero la Royal Society rechazó su artículo para su publicación y tuvo que contentarse con publicarlo en la Revista filosófica en 1845. En el artículo, fue directo en su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron, un rechazo en parte impulsado teológicamente:

Concibo que esta teoría se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque conduce a la conclusión de que vis viva puede ser destruido por una disposición inadecuada del aparato: Así, el Sr. Clapeyron dibuja la inferencia de que 'la temperatura del fuego es de 1000 °C a 2000 °C superior a 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 sólo al Creador Yo afirmo que cualquier teoría que, cuando se lleva a cabo, exige la aniquilación de la fuerza, es necesariamente errónea.

Aquí Joule adopta el lenguaje de vis viva (energía), posiblemente porque Hodgkinson había leído una reseña de Sobre la medida de la fuerza en movimiento de Ewart a la Sociedad Literaria y Filosófica en abril de 1844.

Joule escribió en su artículo de 1844:

... la potencia mecánica ejercida para convertir una máquina magnetoeléctrica es convertido en el calor evolucionado por el paso de las corrientes de inducción a través de sus bobinas; y, por otro lado, que la potencia móvil del motor electromagnético se obtiene a expensas del calor debido a las reacciones químicas de la batería por la que se trabaja.

En junio de 1845, Joule leyó su artículo Sobre el equivalente mecánico del calor en la reunión de la Asociación Británica en Cambridge. En este trabajo, informó sobre su experimento más conocido, que involucra el uso de un peso que cae, en el que la gravedad hace el trabajo mecánico, para hacer girar una rueda de paletas en un barril de agua aislado que aumenta la temperatura. Ahora estimó un equivalente mecánico de 819 libras-pie de fuerza por unidad térmica británica (4404 J/Cal). Escribió una carta a Philosophical Magazine, publicada en septiembre de 1845, describiendo su experimento.

Aparato de calor de Joule, 1845

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.

Recepción y prioridad

El aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor

Gran parte de la resistencia inicial al trabajo de Joule provino de su dependencia de mediciones extremadamente precisas. Afirmó poder medir temperaturas dentro de 1⁄200 de un grado Fahrenheit (3 mK). Tal precisión ciertamente 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. También fue hábilmente apoyado por el 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.

Joule estaba proponiendo una teoría cinética del calor (él 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?;t el movimiento de las moléculas se extingue gradualmente? Las ideas de Joule requerían que uno creyera que las colisiones de moléculas eran perfectamente elásticas. Es importante destacar que la existencia misma de átomos y moléculas no fue ampliamente aceptada por 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 las máquinas térmicas de Carnot también se había basado en la suposición calórica, y solo más tarde Lord Kelvin demostró que las matemáticas de Carnot eran igualmente válidas sin asumir un fluido calórico.

Sin embargo, en Alemania, Hermann Helmholtz conoció tanto el trabajo de Joule como el trabajo similar de 1842 de Julius Robert von Mayer. Aunque ambos hombres habían sido olvidados desde sus respectivas publicaciones, la declaración definitiva de Helmholtz de 1847 sobre la conservación de la energía les dio crédito a ambos.

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, más tarde convertido 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 quedó "muy impresionado con eso" aunque albergaba dudas. Thomson estaba intrigado pero escéptico.

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 marital, Joule y Thomson acordaron intentar un experimento unos días más tarde para medir la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de la cascada Cascade de Sallanches, aunque posteriormente resultó poco práctico.

Aunque Thomson sintió que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se retiró a una enérgica defensa de la escuela de Carnot-Clapeyron. En su descripción de la temperatura absoluta de 1848, Thomson escribió que "la conversión de 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 le envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente lo leyó, le escribió a Thomson el 6 de octubre, alegando 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 siguientes dos años se sintió cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y se convenció 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".

Tan pronto como Joule leyó el documento, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una fructífera, aunque en gran parte epistolar, colaboración entre los dos hombres, Joule realizando experimentos, Thomson analizando los resultados y sugiriendo más experimentos. La colaboración duró de 1852 a 1856, sus descubrimientos incluyeron 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

James Prescott Joule

La cinética es la ciencia del movimiento. Joule fue alumno de Dalton y no sorprende que haya aprendido a creer firmemente en la teoría atómica, a pesar de que muchos científicos de su época aún se mostraban escépticos. También había sido una de las pocas personas receptivas al trabajo descuidado 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.

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.

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 pasó a estimar un valor para el equivalente mecánico de calor de 1.034 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 representaban mediciones cuantitativas sistemáticas. En una de sus notas personales, Joule sostiene que la medida de Mayer no fue más precisa que la de Rumford, quizás con la esperanza de que Mayer no se hubiera anticipado a su propio trabajo.

Se ha atribuido a Joule 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) el último destello como verde azulado, sin intentar explicar la causa del fenómeno.

Obra publicada

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  Volumen I y II de "Los Documentos Científicos"

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  Título página del volumen I de "Los Documentos Científicos"

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  Prefacio al volumen I de "Los Documentos Científicos"

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  Figura del volumen I de "Los Documentos Científicos"

Honores

Una estatua de Joule en el Manchester Town Hall

Piedra de Joule en el cementerio de Brooklands, Venta

Joule murió en su casa en Sale y está enterrado allí en el cementerio de Brooklands. Su lápida está inscrita con el número "772.55", su medida 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 el temperatura de una libra de agua desde 60 °F hasta 61 °F. También hay una cita del Evangelio de Juan: "La obra del que me envió es necesario que la haga mientras es de día; llega la noche cuando nadie puede trabajar". El pub de Wetherspoon en Sale, la ciudad de su muerte, se llama "The J. P. Joule" despues de el.

Los muchos honores y elogios de Joule incluyen:

• Fellow of the Royal Society (1850)
  • Medalla Real (1852), 'Para su papel sobre el equivalente mecánico del calor, impreso en las transacciones filosóficas para 1850'
  • Copley Medal (1870), 'Para sus investigaciones experimentales sobre la teoría dinámica del calor '
• Presidente de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester (1860)
• Presidente de la Asociación Británica para el Adelanto de la Ciencia (1872, 1887)
• Honorary Membership of the Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland (1857)
• Títulos honorarios:
  • LL.D., Trinity College, Dublín (1857)
  • DCL, University of Oxford (1860)
  • LL.D., Universidad de Edimburgo (1871)
• Joule recibió una pensión de lista civil de 200 libras anual en 1878 para servicios a la ciencia
• Albert Medalla de la Royal Society of Arts (1880), 'por haber establecido, después de la más laboriosa investigación, la verdadera relación entre el calor, la electricidad y el trabajo mecánico, con lo que el ingeniero proporciona una guía segura en la aplicación de la ciencia a las actividades industriales '

Hay un monumento a Joule en el pasillo del coro norte de la Abadía de Westminster, 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.

Familia

En 1847, Joule se casó con Amelia Grimes. Joule enviudó cuando murió en 1854, 7 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, que murió tres semanas después) Alice se había convertido en una hermosa niña como su madre. Benjamín se hizo fuerte como su padre. Joule estaba orgulloso de Alice y Benjamin. Cuando James murió en 1889, Alice y Benjamin quedaron devastados. 10 años después, Alice había muerto. Benjamin había estado solo hasta que encontró una esposa perfecta con la que se casó y murió en 1922.