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James Prescott Joule

Agosto 03, 2021

James Prescott Joule (Salford, Reino Unido, 24 de diciembre de 1818-11 de octubre de 1889) fue un físico inglés, uno de los más notables físicos de su época, conocido sobre todo por sus investigaciones en termodinámica. Descubrió su relación con el trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la energía. La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor. Trabajó con lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica (efecto Joule-Thomson) y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado, llamada actualmente ley de Joule. Después de numerosos experimentos, obtuvo el valor numérico del equivalente mecánico del calor. Contribuyó a explicar la teoría cinética de los gases. Fue «posiblemente el último autodidacta que hizo una contribución significativa al progreso de la ciencia».[1]​

James Prescott Joule

James Prescott Joule.
Información personal
Nacimiento 24 de diciembre de 1818
Salford (Reino Unido)
Fallecimiento 11 de octubre de 1889 (70 años)
Sale (Reino Unido)
Sepultura Brooklands
Nacionalidad Británico
Familia
Cónyuge Amelia Grimes
Educación
Educado en Universidad de Mánchester
Alumno de John Dalton
Información profesional
Ocupación Físico
Área Física
Obras notables termodinámica
Miembro de
Distinciones
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Biografía

James Prescott Joule era hijo de Benjamin Joule (1784-1858), propietario de una fábrica de cerveza. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Mánchester.[2]​ Solo recibió dos años de educación en aritmética y geometría antes de que Dalton se tuviera que retirar por un accidente vascular cerebral. Aun así, Dalton influyó en Joule, así como lo hicieron sus socios, el químico William Henry y los ingenieros de Manchester Peter Ewart y Eaton Hodgkinson. Más adelante, Joule fue educado por John Davies. Joule estaba fascinado por la electricidad. Él y su hermano experimentaban dándose choques eléctricos el uno al otro y también lo hicieron con los criados de la familia.[3]​

Joule llegó a gerente de la cervecería y tuvo un papel activo hasta que el negocio fue vendido en 1854. La ciencia era una afición, pero pronto empezó a investigar la posibilidad de sustituir la máquina de vapor de la cervecería con un motor eléctrico, entonces recién inventado. Joule tenía una habitación en casa de su padre que la utilizaba como laboratorio; fue allí donde empezó a hacer sus primeros experimentos eléctricos y magnéticos.[4]​ En 1838 contribuyó con sus primeros trabajos académicos sobre electricidad en los Annals of Electricity, la revista científica fundada y dirigida por el socio de Davies William Sturgeon. Descubrió la ley de Joule en 1840[5]​ e intentó impresionar a la Royal Society pero descubrió, no por última vez, que se lo veía como un mero principiante de provincias. Cuando Sturgeon se mudó a Manchester en 1840, Joule y él llegaron a ser el centro de un círculo de intelectuales de la ciudad. Ambos compartían la creencia de que la ciencia y la teología tenían que integrarse. Joule enseñó en la Royal Victoria Gallery of Practical Science de Sturgeon.[3]​

Descubrió que quemar una libra de carbón en una máquina de vapor produce cinco veces el trabajo del consumo de una libra de zinc en una Celda de Grove,[nota 1]​ una de las primeras baterías eléctricas.[6]​ La unidad estándar de trabajo de Joule era la capacidad de levantar una libra a una altura de un pie, el pie-libra.[nota 2]​[3]​

Joule fue influido por el pensamiento de Franz Aepinus y trató de explicar los fenómenos de la electricidad y el magnetismo en términos de átomos rodeados por un "éter calorífico en estado de vibración".[3]​

Aun así, el interés de Joule cambió desde un interés puramente financiero de cuánto a trabajo se podía extraer de una única fuente, hasta especular sobre la transformación de la energía. En 1843 publicó los resultados de sus experimentos, que demostraban que el efecto de calentamiento que había cuantificado en 1841 se debía a la generación de calor en el conductor eléctrico y no a su transmisión desde otra parte del equipamiento.[7]​ Esto era un reto directo de la teoría del calórico, que sostenía que el calor no se podía ni crear ni destruir. La teoría del calórico había dominado el pensamiento en la ciencia del calor desde que Antoine Lavoisier lo había introducido en 1783. El prestigio de Lavoisier y el éxito práctico de la teoría del calórico de la máquina de vapor de Sadi Carnot desde 1824 hicieron que el joven Joule, que trabajaba fuera de los ámbitos académico y de ingeniería, tuviera un camino difícil para recorrer. Los valedores de la teoría del calórico indicaron la simetría de la efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente son convertibles, al menos aproximadamente, por un proceso reversible.[3]​

En junio de 1844, su padre se trasladó de Pendlebury a Whalley Range e hizo construir un laboratorio para su hijo situado cerca de la casa.[4]​ Joule mantuvo una estrecha relación con la Manchester Literary and Philosophical Society. El 25 de enero de 1842 acabó siendo miembro de la sociedad, en 1844 era nombrado bibliotecario, en 1846 secretario honorario, en 1851 vicepresidente y finalmente, en 1860 llegó a presidente de la sociedad por primera vez.[4]​

El equivalente mecánico del calor

Artículo principal: Efecto Joule

En su obra del 1845, Joule escribió:

... el trabajo mecánico ejercido al girar una máquina magnetoeléctrica se convierte en calor creado por el paso de corrientes inductivas a través de sus bobinas; y, por otro lado, que el poder motil del motor magnetoeléctrico se obtiene a expensas del calor debido a las reacciones químicas de la batería que lo hace trabajar.[8]​
 
El aparato de calor de Joule (1845).

En este pasaje, Joule adopta el lenguaje de la vis viva (energía), posiblemente porque Hodgkinson había leído una revisión de la obra de Ewart On the measure of moving force a la Literary and Philosophical Society en abril del 1844.

Experimentos y medidas posteriores hechos por Joule le llevaron a calcular que el equivalente mecánico del calor era de 838 pies-libra para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.[9]​ Anunció sus resultados en un encuentro del departamento de química de la British Association for the Advancement of Science en Cork en 1843, pero se encontró con un silencio como respuesta.

Joule no se desanimó y empezó a buscar una demostración puramente mecánica de la conversión de trabajo en calor. Forzando agua a través de un cilindro perforado, fue capaz de medir el ligero calentamiento viscoso del fluido. Obtuvo un equivalente mecánico de 770 pies-libra/UTB (4,14 J/cal). El hecho de que los valores obtenidos tanto por medios eléctricos y puramente mecánicos se correspondieran al menos un orden de magnitud era, para Joule, evidencia convincente de la realidad de la transformación de trabajo en calor.

Joule probó un tercer camino. Midió el calor generado con el trabajo hecho al comprimir un gas. Obtuvo un equivalente mecánico de 823 pies-libra (4,43 J/cal).[10]​ De muchas maneras, este experimento se convirtió en el objetivo más fácil para los críticos de Joule, pero Joule se encargó de las objeciones anticipadas mediante experimentos inteligentes. Aun así, su obra fue rehusada por la Royal Society y se tuvo que contentar con publicarla en la Philosophical Magazine. En esta obra quedaba evidente su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron, pero también eran evidentes sus motivaciones teológicas:

Concibo que esta teoría... se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque lleva a la conclusión que la vis viva se puede destruir mediante una configuración incorrecta del aparato: por lo tanto, el Sr. Clapeyron infiere que «siendo la temperatura del fuego entre 1000 °C y 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». Convencido de que el poder de destruir cosas pertenece únicamente al Creador, afirmo... que cualquier teoría que, cuando puesta en práctica, requiere la aniquilación de fuerza, es necesariamente errónea.
 
Aparato para determinar el equivalente mecánico al calor
 
El aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.

En 1845, Joule leyó su obra On the mechanical equivalient of heat en la reunión de la British Association en Cambridge.[11]​ En esta obra, explicó su experimento más conocido, utilizando un peso cayendo para hacer girar un carrete en un barril de agua aislado, del cual midió el incremento de temperatura. Su nueva estimación del equivalente mecánico era de 819 pies-libra/BTU (4.41 J/cal).

En 1850, Joule publicó una medida refinada de 772,692 pies-libra/BTU (4,159 J/cal), más cercana a las estimaciones del siglo XX.[12]​

Recepción y prioridad

Gran parte de la resistencia inicial de la obra de Joule se debía a su dependencia de medidas extremamente precisas. Afirmaba poder medir temperaturas con un margen de error de sólo 1/200 de grado Fahrenheit. Una precisión de esta magnitud era ciertamente rara en la física experimental de su tiempo, pero sus críticos podrían haber despreciado su experiencia en el arte de la cervecería y en su acceso a tecnologías prácticas.[13]​ También recibió el apoyo del fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer.[14]​

Aun así, el alemán Hermann Helmholtz descubrió la obra de Joule y una obra similar publicada en 1842 por Julius Robert von Mayer. A pesar de que ambos habían sido despreciados desde la publicación de sus respectivos trabajos, la declaración definitiva del 1847 de Helmholtz de la conservación de la energía dio crédito a los dos.

También en 1847, en una de las exposiciones de Joule de la British Association en Oxford asistieron George Gabriel Stokes, Michael Faraday, y el precoz e independiente William Thomson, quien más tarde sería nombrado Lord Kelvin, y que acababa de conseguir el puesto de catedrático de filosofía natural de la Universidad de Glasgow. Stokes se sintió «inclinado a ser un Joulita» y Faraday «quedó muy impresionado», a pesar de que tenía dudas. Thomson estaba intrigado pero permanecía escéptico.

Thomson y Joule se encontraron de imprevisto más tarde aquel año en Chamonix. Joule se casó con Amelia Grimes el 18 de agosto y la pareja marchó de luna de miel. Dejando de lado el entusiasmo marital, Joule y Thomson decidieron intentar un experimento unos días más tarde para medir la diferencia de temperatura entre la parte superior y la parte inferior de la Cascada de Sallanches, a pesar de que más tarde esto se reveló muy poco práctico.

A pesar de que Thomson sentía que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, defendió con vigor la escuela de Carnot y Clapeyron. En su tratado sobre la temperatura absoluta de 1848, Thomson escribió que «la conversión de calor (o calórico) en efecto mecánico es probablemente imposible, y ciertamente no ha sido descubierta»[15]​ - pero una nota a pie de página demostró sus dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los «descubrimientos muy remarcables» de Joule. Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de la obra, pero cuando este finalmente la leyó, 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 que esperaba una reconciliación de sus dos teorías. A pesar de que Thomson no hizo más experimentos, a lo largo de los dos años siguientes se desencantó con la teoría de Carnot y se convenció de la de Joule. En su obra de 1852, Thomson no deseaba llegar más lejos que un compromiso y declaró que «toda la teoría del poder motil del calor se basa en… dos… proposiciones… debidas a Joule, por un lado, y Carnot y Clausius, por la otra».[16]​

Tan pronto como Joule leyó la obra, escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así empezó una colaboración fructífera entre ambos hombres, a pesar de que fue esencialmente epistolar, con Joule llevando a cabo experimentos y Thomson analizando los resultados y proponiendo otros nuevos. La colaboración duró de 1852 a 1856, y sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule-Thomson, y los resultados publicados contribuyeron mucho a la aceptación general del trabajo de Joule y de la teoría cinética.

Teoría cinética

 
James Prescott Joule

La cinética es la ciencia que estudia el movimiento.[17]​[18]​ Joule fue alumno de Dalton y no es sorpresivo que desarrollara una firme creencia en la teoría atómica, a pesar de que muchos científicos de su época todavía eran escépticos. También fue una de las pocas personas receptivas a la poco aceptada obra de John Herapath sobre la teoría cinética de gases. También fue profundamente influido por la obra de Peter Ewart de 1813 On the measure of moving force.

Joule percibió la relación entre sus descubrimientos y la teoría cinética del calor. Sus notas de laboratorio revelan que creía que el calor era una forma de movimiento más rotacional que translacional.

Joule no pudo resistir encontrar antecedentes de sus creencias en Francis Bacon, Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson y Humphry Davy. A pesar de que estas creencias están justificadas, Joule calculó un valor para el equivalente mecánico del calor de 1.034 pies-libra a partir de las obras de Thompson. Algunos estudiosos actuales han criticado esto, argumentando que los experimentos de Thompson no representaban medidas cuantitativas sistemáticas. En una de sus notas personales, Joule argumenta que la medida de Mayer no era más precisa que la de Thompson, quizás esperando que Mayer no se hubiera anticipado a su obra.

Muerte y reconocimientos

 
Una estatua de Joule en la casa de la villa de Manchester.
 
Busto de Joule en Worthington Park

Joule tenía que haber sido el presidente de la British Association en la reunión de Bradford en 1872 y de nuevo en la reunión de Manchester de 1887, pero en ambas ocasiones no pudo asistir por cuestiones de salud.[4]​ A partir de 1872 su salud se debilitó, y desde aquel momento y hasta su muerte el 11 de octubre de 1889 vivió tranquilamente en su residencia del 12 de Wardle Road de Sale,[4]​[19]​ donde estudiaba en la medida que su salud se lo permitía. Fue enterrado en el cementerio de Brooklands.[20]​ La lápida lleva la inscripción «772,75», su medida culminante del equivalente mecánico del calor (1878), y una cita del Evangelio de Juan, «Mientras sea de día, tengo que hacer las obras de quien me ha enviado: pero ahora se acerca la noche, cuando nadie puede trabajar» (Juan, 9:4).[20]​

A lo largo de su vida, pero especialmente durante sus últimos años, recibió numerosos reconocimientos provenientes tanto de Inglaterra cómo del extranjero. Joule fue elegido miembro (en inglés, Fellow) de la Royal Society el día 6 de junio de 1850.[4]​ En 1852 el Consejo de la Royal Society le concedió Joule la Royal Medal por su tarea de investigación;[21]​ en 1860 le otorgaron la Medalla Copley por los mismos experimentos de la mano de Sir Edward Sabine; en el discurso de entrega Sabine dijo:

El premio de dos medallas por la misma investigación es un procedimiento extremadamente raro en nuestra sociedad, y con razón. En esta ocasión, el Consejo ha deseado mostrar de la manera más enfática posible su opinión del carácter especial y original y la gran utilidad del descubrimiento del Sr. Joule.
Sir Edward Sabine (1860)[4]​

Varias universidades le concedieron el título de doctor honoris causa; el primero fue el D.C.L. por la Trinity College Dublin (1857), después el D.C.L. por la Universidad de Oxford (1860) y finalmente el D.C.L. por la Universidad de Edimburgo (1871).[4]​ En 1878 recibió una pensión de £ 200 al año por servicios a la ciencia y el 1880 el príncipe de Gales Eduardo VII le entregó la Albert Medal, otorgada por la Royal Society of Artes.[4]​ J.P. Joule es miembro honorario de la Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland desde 1857.[22]​

Existen dos retratos al óleo de James Prescott; el primero se alberga en una sala de la Manchester Literary and Philosophical Society y fue pintado por George Patten en 1863, mientras que el segundo es propiedad de Royal Society y es obra de George Reynolds en 1882. También Reynolds esculpió un busto en 1882.[4]​

En la ciudad de Manchester cuenta con bastantes reconocimientos, como por ejemplo la biblioteca[23]​ que lleva su nombre y que, dentro de la Universidad de Manchester, está especializada en obras de ciencia, tecnología e ingeniería, o como la estatua esculpida por Alfred Gilbert, ubicada justo ante una de Dalton en el exterior del ayuntamiento. En el corazón de la Abadía de Westminster hay un monumento a Joule, a pesar de que no está enterrado allí, contra lo que dicen algunas biografías.[24]​

El parque de Worthington, antiguamente parque de Sale, acoge un busto de arcilla bañado en bronce que representa la figura del científico. La obra es de 1905 del escultor John Cassidy. El proyecto fue financiado parcialmente por donaciones, entre otros, de científicos de todo el mundo. El busto presenta Joule sosteniendo una obra científica en la que se entrevé el dibujo de un galvanómetro.[2]​[25]​

El cráter lunar Joule posee ese nombre su honor,[26]​ así como el submarino francés Joule, que se hundió en los Dardanelos la primavera del 1915.[27]​

Actividad cervecera

Junto con su hermano Benjamin, James Joule se hizo cargo de la cervecería situada en Salford que su abuelo William había fundado tres décadas antes de su nacimiento.[28]​ Mientras que algunos autores afirman que Joule se implicó poco en la gestión de la cervecería, otros dicen todo el contrario, que Joule mostraba un gran interés para mejorar los procesos técnicos, físicos y químicos de la cervecería. Este último punto de vista se sostiene en su correspondencia con Lord Kelvin. La producción de gas durante el proceso de fabricación de la cerveza habría sido el punto de partida para los estudios que desembocaron en el descubrimiento del efecto Joule-Thomson. La enfermedad de su padre y la marcha de su hermano obligaron a James Joule a implicarse con los aspectos técnicos y comerciales de la cervecería. Joule acabó vendiendo la cervecería en 1855, pocos años antes de la muerte de su padre, para centrarse exclusivamente en sus experimentos científicos.[29]​

Obra

Joule estudió aspectos relativos al magnetismo, especialmente los relativos a la magnetización del hierro por la acción de corrientes eléctricas, que le llevaron a la invención del motor eléctrico. Descubrió también el fenómeno de magnetostricción, que aparece en los materiales ferromagnéticos, en los que su longitud depende de su estado de magnetización. Pero el área de investigación más fructífera de Joule es la relativa a las distintas formas de energía: con sus experimentos verifica que al fluir una corriente eléctrica a través de un conductor, este experimenta un incremento de temperatura; a partir de ahí dedujo que si la fuente de energía eléctrica es una pila electroquímica, la energía habría de proceder de la transformación llevada a cabo por las reacciones químicas, que la convertirían en energía eléctrica y de esta se transformaría en calor. Si en el circuito se introduce un nuevo elemento, el motor eléctrico, se origina energía mecánica. Ello le lleva a la enunciación del principio de conservación de la energía, y aunque hubo otros físicos de renombre que contribuyeron al establecimiento de este principio como William Thomson (lord Kelvin) y Hermann von Helmholtz, fue Joule quien le proporcionó una mayor solidez.

En 1840 Joule publicó Producción de calor por la electricidad voltaica, en la que estableció la ley que lleva su nombre y que afirma que el calor originado en un conductor por el paso de la corriente eléctrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de corriente. En 1843, después de numerosos experimentos, obtuvo el valor numérico del equivalente mecánico del calor, que concluyó que era de 4,15 J igual a una caloría (en unidades de hoy), lo que permitía la conversión de las unidades mecánicas y térmicas; este es un valor muy similar al considerado actualmente como de 4,187 J. De ese modo quedaba firmemente establecida la relación entre calor y trabajo, ya avanzada por Thompson, que sirvió de piedra angular para el posterior desarrollo de la termodinámica estadística. En estos trabajos Joule se basaba en la ley de conservación de la energía, descubierta en 1842.

A pesar de que en 1848 ya había publicado un artículo referente a la teoría cinética de los gases, donde por primera vez se estimaba la velocidad de las moléculas gaseosas, abandonó su línea de investigación y prefirió convertirse en ayudante de William Thomson, y, como fruto de esta colaboración, se llegó al descubrimiento del efecto Joule-Thomson, según el cual es posible enfriar un gas en expansión si se lleva a cabo el trabajo necesario para separar las moléculas del gas. Ello posibilitó posteriormente la licuefacción de los gases y llevó a la ley de la energía interna de un gas perfecto, según la cual la energía interna de un gas perfecto es independiente de su volumen y dependiente de la temperatura.

Eponimia

Notas

  1. William Robert Grove formuló en 1844 una de las primeras explicaciones generales de la conservación de la energía.
  2. La energía requerida para levantar una masa m a una altura h es mgh, donde g es la gravedad estándar. La unidad de Joule es dimensionalmente correcta si se interpreta como fuerza pie-libra. Cuando se utilizan unidades del Sistema Internacional, esta energía se da en términos del epónimo joule: 1 pie-libra = 1,356 J.

Referencias

  1. Károly Simonyi (1995). Kulturgeschichte der Physik (en alemán). Frankfurt del Main: Harri Deutsch, Thun. p. 368. ISBN 3-8171-1379-X. 
  2. ↑ Hulme, Charles (2010). «James Prescott Joule, Worthington Park, Sale (1905)». John Cassidy 150th Anniversary website (en inglés). Consultado el 29 de mayo de 2013. 
  3. ↑ Smith (2004)
  4. ↑ Wikitexts: Dictionary of National Biography, Volume 30 Joule, James Prescott , Tetley Glazebrook Richard, en inglés, Varios autores, años 1885-1900, páginas 208-214
  5. Joule, James Prescott (1841). On the Heat Evolved by Metallic Conductors of Electricity: And in the Cells of a Battery During Electrolysis (en inglés). Taylor & Francis. p. 20. 
  6. Smith (1998) p. 60
  7. Joule, J.P. (1843). Philosophical Magazine, 23, 263; Scientific Papeles 123
  8. Joule, James Prescott. «On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air». Philosophical Magazine, Series 3. 26, year = 1845: 369. 
  9. La unidad de Joule corresponde a 5,3803×10-3 J/caloría. Por lo tanto, la estimación de Joule era de 4,51 J/cal, en comparación al valor aceptado a principios del XX de 4.186 J/cal (M.W. Zemansky (1968) Heat and Thermodynamics, 5th ed., p. 86).
  10. Joule, J.P. (1845) «On the rarefaction and condensation of air». Philosophical Magazine, Scientific Papers 172
  11. Joule, J.P. (1845) «On the Mechanical Equivalient of Heat» (enlace roto disponible en )., Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect, p.31, leído en la British Association de Cambridge
  12. Joule, J.P (1950) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol.140, Parte 1, pp61-82
  13. Sibum (1994)
  14. «Report of the Council, April, 1888, with obituary notices of Charles Moseley and John Benjamin Dancer». Memoirs and Proceedings - Manchester Literary and Philosophical Society (en inglés). Y. Manchester: The Society. 1888. pp. 149?153. Consultado el 28 de junio de 2014. 
  15. Ver Thomson, William (1848). «On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot's Theory of the Motive Power of Heat, and calculated from Regnault's Observations». Philosophical Journal. - Ver también Thomson, William (1882). Mathematical and Physical Papers. Cambridge, England: Cambridge University Press. pp. 100 - 106. 
  16. De Boer, R. (2012). Theory of Porous Media: Highlights in Historical Development and Current State (en inglés). Springer Science & Business Media. p. 177. ISBN 9783642596377. 
  17. Britannica Online Dictionary
  18. Louis Adolphe Martin (1907). Text-book of Mechanics (en inglés). Wiley. pp. Section X, pág. 69ff. 
  19. GRO Register of Deaths: DEC 1889 8a 121 ALTRINCHAM - James Prescott Joule
  20. ↑ Peter J Whitehead. James Prescott Joule, the man pittdixon.go-plus.net
  21. Wikitexts: Popular Science Monthly Volume 5 May 1874 en inglés, Varios autores, páginas 102-106
  22. «IESIS. Honorary Members and Fellows». iesis.org (en inglés). 
  23. The University of Manchester Library, ed. (2013). «Joule Library home page» (en inglés). Manchester. Consultado el 29 de mayo de 2013. 
  24. Reynolds, Osborne (2011). Memoir of James Prescott Joule. (en inglés). Cambridge University Press. pp. pág. 169. ISBN 9781108028806. Consultado el 28 de mayo de 2013. 
  25. johncassidy.org.uk (ed.). «James Prescott Joule, Worthington Park, Salo (1905)» (en inglés). 
  26. Entrada en la International Astronomical Union (IAU) Working Group for Planetary System Nomenclature (WGPSN)
  27. Cardwell, D. L. S. (= 1989). James Joule: A Biography (en inglés). Manchester University Press. p. 267. ISBN 9780719034794. 
  28. Joule's Story (en inglés)
  29. Alan Gall: James Joule – Brewer and Man of Science, Brew. Hist., 115, pág. 2-6 (en línea)

Bibliografía

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre James Prescott Joule.
  •   Wikiquote alberga frases célebres de o sobre James Prescott Joule.
  • Documentos clásicos del 1845 y del 1847 en el web de ChemTeam (enlace roto disponible en ). On the Mechanical Equivalent of Heat y On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
  •   Datos: Q8962
  •   Multimedia: James Prescott Joule
  •   Citas célebres: James Prescott Joule

Agosto 03, 2021
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James Prescott Joule Salford Reino Unido 24 de diciembre de 1818 11 de octubre de 1889 fue un fisico ingles uno de los mas notables fisicos de su epoca conocido sobre todo por sus investigaciones en termodinamica Descubrio su relacion con el trabajo mecanico lo cual le condujo a la teoria de la energia La unidad internacional de energia calor y trabajo el joule fue bautizada en su honor Trabajo con lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura hizo observaciones sobre la teoria termodinamica efecto Joule Thomson y encontro una relacion entre la corriente electrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado llamada actualmente ley de Joule Despues de numerosos experimentos obtuvo el valor numerico del equivalente mecanico del calor Contribuyo a explicar la teoria cinetica de los gases Fue posiblemente el ultimo autodidacta que hizo una contribucion significativa al progreso de la ciencia 1 James Prescott JouleJames Prescott Joule Informacion personalNacimiento24 de diciembre de 1818 Salford Reino Unido Fallecimiento11 de octubre de 1889 70 anos Sale Reino Unido SepulturaBrooklandsNacionalidadBritanicoFamiliaConyugeAmelia GrimesEducacionEducado enUniversidad de ManchesterAlumno deJohn DaltonInformacion profesionalOcupacionFisicoAreaFisicaObras notablestermodinamicaMiembro deRoyal SocietyAcademia Estadounidense de las Artes y las CienciasSociedad Filosofica y Literaria de ManchesterAcademia de Ciencias de Turin desde 1848 Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos desde 1887 DistincionesMiembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las CienciasMiembro de la Royal SocietyMedalla Real 1852 Medalla Copley 1870 Medalla Albert 1880 editar datos en Wikidata Indice 1 Biografia 2 El equivalente mecanico del calor 3 Recepcion y prioridad 4 Teoria cinetica 5 Muerte y reconocimientos 6 Actividad cervecera 7 Obra 8 Eponimia 9 Notas 10 Referencias 11 Bibliografia 12 Enlaces externosBiografia EditarJames Prescott Joule era hijo de Benjamin Joule 1784 1858 propietario de una fabrica de cerveza De caracter timido y humilde recibio clases particulares en su propio hogar de fisica y matematicas siendo su profesor el quimico britanico John Dalton compaginaba estas clases con su actividad profesional trabajando junto a su padre en la destileria la cual llego a dirigir Dalton le alento hacia la investigacion cientifica y realizo sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fabrica de cervezas formandose a la vez en la Universidad de Manchester 2 Solo recibio dos anos de educacion en aritmetica y geometria antes de que Dalton se tuviera que retirar por un accidente vascular cerebral Aun asi Dalton influyo en Joule asi como lo hicieron sus socios el quimico William Henry y los ingenieros de Manchester Peter Ewart y Eaton Hodgkinson Mas adelante Joule fue educado por John Davies Joule estaba fascinado por la electricidad El y su hermano experimentaban dandose choques electricos el uno al otro y tambien lo hicieron con los criados de la familia 3 Joule llego a gerente de la cerveceria y tuvo un papel activo hasta que el negocio fue vendido en 1854 La ciencia era una aficion pero pronto empezo a investigar la posibilidad de sustituir la maquina de vapor de la cerveceria con un motor electrico entonces recien inventado Joule tenia una habitacion en casa de su padre que la utilizaba como laboratorio fue alli donde empezo a hacer sus primeros experimentos electricos y magneticos 4 En 1838 contribuyo con sus primeros trabajos academicos sobre electricidad en los Annals of Electricity la revista cientifica fundada y dirigida por el socio de Davies William Sturgeon Descubrio la ley de Joule en 1840 5 e intento impresionar a la Royal Society pero descubrio no por ultima vez que se lo veia como un mero principiante de provincias Cuando Sturgeon se mudo a Manchester en 1840 Joule y el llegaron a ser el centro de un circulo de intelectuales de la ciudad Ambos compartian la creencia de que la ciencia y la teologia tenian que integrarse Joule enseno en la Royal Victoria Gallery of Practical Science de Sturgeon 3 Descubrio que quemar una libra de carbon en una maquina de vapor produce cinco veces el trabajo del consumo de una libra de zinc en una Celda de Grove nota 1 una de las primeras baterias electricas 6 La unidad estandar de trabajo de Joule era la capacidad de levantar una libra a una altura de un pie el pie libra nota 2 3 Joule fue influido por el pensamiento de Franz Aepinus y trato de explicar los fenomenos de la electricidad y el magnetismo en terminos de atomos rodeados por un eter calorifico en estado de vibracion 3 Aun asi el interes de Joule cambio desde un interes puramente financiero de cuanto a trabajo se podia extraer de una unica fuente hasta especular sobre la transformacion de la energia En 1843 publico los resultados de sus experimentos que demostraban que el efecto de calentamiento que habia cuantificado en 1841 se debia a la generacion de calor en el conductor electrico y no a su transmision desde otra parte del equipamiento 7 Esto era un reto directo de la teoria del calorico que sostenia que el calor no se podia ni crear ni destruir La teoria del calorico habia dominado el pensamiento en la ciencia del calor desde que Antoine Lavoisier lo habia introducido en 1783 El prestigio de Lavoisier y el exito practico de la teoria del calorico de la maquina de vapor de Sadi Carnot desde 1824 hicieron que el joven Joule que trabajaba fuera de los ambitos academico y de ingenieria tuviera un camino dificil para recorrer Los valedores de la teoria del calorico indicaron la simetria de la efecto Peltier Seebeck para afirmar que el calor y la corriente son convertibles al menos aproximadamente por un proceso reversible 3 En junio de 1844 su padre se traslado de Pendlebury a Whalley Range e hizo construir un laboratorio para su hijo situado cerca de la casa 4 Joule mantuvo una estrecha relacion con la Manchester Literary and Philosophical Society El 25 de enero de 1842 acabo siendo miembro de la sociedad en 1844 era nombrado bibliotecario en 1846 secretario honorario en 1851 vicepresidente y finalmente en 1860 llego a presidente de la sociedad por primera vez 4 El equivalente mecanico del calor EditarArticulo principal Efecto Joule En su obra del 1845 Joule escribio el trabajo mecanico ejercido al girar una maquina magnetoelectrica se convierte en calor creado por el paso de corrientes inductivas a traves de sus bobinas y por otro lado que el poder motil del motor magnetoelectrico se obtiene a expensas del calor debido a las reacciones quimicas de la bateria que lo hace trabajar 8 El aparato de calor de Joule 1845 En este pasaje Joule adopta el lenguaje de la vis viva energia posiblemente porque Hodgkinson habia leido una revision de la obra de Ewart On the measure of moving force a la Literary and Philosophical Society en abril del 1844 Experimentos y medidas posteriores hechos por Joule le llevaron a calcular que el equivalente mecanico del calor era de 838 pies libra para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit 9 Anuncio sus resultados en un encuentro del departamento de quimica de la British Association for the Advancement of Science en Cork en 1843 pero se encontro con un silencio como respuesta Joule no se desanimo y empezo a buscar una demostracion puramente mecanica de la conversion de trabajo en calor Forzando agua a traves de un cilindro perforado fue capaz de medir el ligero calentamiento viscoso del fluido Obtuvo un equivalente mecanico de 770 pies libra UTB 4 14 J cal El hecho de que los valores obtenidos tanto por medios electricos y puramente mecanicos se correspondieran al menos un orden de magnitud era para Joule evidencia convincente de la realidad de la transformacion de trabajo en calor Joule probo un tercer camino Midio el calor generado con el trabajo hecho al comprimir un gas Obtuvo un equivalente mecanico de 823 pies libra 4 43 J cal 10 De muchas maneras este experimento se convirtio en el objetivo mas facil para los criticos de Joule pero Joule se encargo de las objeciones anticipadas mediante experimentos inteligentes Aun asi su obra fue rehusada por la Royal Society y se tuvo que contentar con publicarla en la Philosophical Magazine En esta obra quedaba evidente su rechazo del razonamiento calorico de Carnot y Emile Clapeyron pero tambien eran evidentes sus motivaciones teologicas Concibo que esta teoria se opone a los principios reconocidos de la filosofia porque lleva a la conclusion que la vis viva se puede destruir mediante una configuracion incorrecta del aparato por lo tanto el Sr Clapeyron infiere que siendo la temperatura del fuego entre 1000 C y 2000 C superior a la de la caldera hay una enorme perdida de vis viva en el paso del calor del horno a la caldera Convencido de que el poder de destruir cosas pertenece unicamente al Creador afirmo que cualquier teoria que cuando puesta en practica requiere la aniquilacion de fuerza es necesariamente erronea Aparato para determinar el equivalente mecanico al calor El aparato de Joule para medir el equivalente mecanico del calor En 1845 Joule leyo su obra On the mechanical equivalient of heat en la reunion de la British Association en Cambridge 11 En esta obra explico su experimento mas conocido utilizando un peso cayendo para hacer girar un carrete en un barril de agua aislado del cual midio el incremento de temperatura Su nueva estimacion del equivalente mecanico era de 819 pies libra BTU 4 41 J cal En 1850 Joule publico una medida refinada de 772 692 pies libra BTU 4 159 J cal mas cercana a las estimaciones del siglo XX 12 Recepcion y prioridad EditarGran parte de la resistencia inicial de la obra de Joule se debia a su dependencia de medidas extremamente precisas Afirmaba poder medir temperaturas con un margen de error de solo 1 200 de grado Fahrenheit Una precision de esta magnitud era ciertamente rara en la fisica experimental de su tiempo pero sus criticos podrian haber despreciado su experiencia en el arte de la cerveceria y en su acceso a tecnologias practicas 13 Tambien recibio el apoyo del fabricante de instrumentos cientificos John Benjamin Dancer 14 Aun asi el aleman Hermann Helmholtz descubrio la obra de Joule y una obra similar publicada en 1842 por Julius Robert von Mayer A pesar de que ambos habian sido despreciados desde la publicacion de sus respectivos trabajos la declaracion definitiva del 1847 de Helmholtz de la conservacion de la energia dio credito a los dos Tambien en 1847 en una de las exposiciones de Joule de la British Association en Oxford asistieron George Gabriel Stokes Michael Faraday y el precoz e independiente William Thomson quien mas tarde seria nombrado Lord Kelvin y que acababa de conseguir el puesto de catedratico de filosofia natural de la Universidad de Glasgow Stokes se sintio inclinado a ser un Joulita y Faraday quedo muy impresionado a pesar de que tenia dudas Thomson estaba intrigado pero permanecia esceptico Thomson y Joule se encontraron de imprevisto mas tarde aquel ano en Chamonix Joule se caso con Amelia Grimes el 18 de agosto y la pareja marcho de luna de miel Dejando de lado el entusiasmo marital Joule y Thomson decidieron intentar un experimento unos dias mas tarde para medir la diferencia de temperatura entre la parte superior y la parte inferior de la Cascada de Sallanches a pesar de que mas tarde esto se revelo muy poco practico A pesar de que Thomson sentia que los resultados de Joule exigian una explicacion teorica defendio con vigor la escuela de Carnot y Clapeyron En su tratado sobre la temperatura absoluta de 1848 Thomson escribio que la conversion de calor o calorico en efecto mecanico es probablemente imposible y ciertamente no ha sido descubierta 15 pero una nota a pie de pagina demostro sus dudas sobre la teoria calorica refiriendose a los descubrimientos muy remarcables de Joule Sorprendentemente Thomson no envio a Joule una copia de la obra pero cuando este finalmente la leyo escribio a Thomson el 6 de octubre afirmando que sus estudios habian demostrado la conversion de calor en trabajo pero que estaba planeando mas experimentos Thomson respondio el dia 27 revelando que estaba planeando sus propios experimentos y que esperaba una reconciliacion de sus dos teorias A pesar de que Thomson no hizo mas experimentos a lo largo de los dos anos siguientes se desencanto con la teoria de Carnot y se convencio de la de Joule En su obra de 1852 Thomson no deseaba llegar mas lejos que un compromiso y declaro que toda la teoria del poder motil del calor se basa en dos proposiciones debidas a Joule por un lado y Carnot y Clausius por la otra 16 Tan pronto como Joule leyo la obra escribio a Thomson con sus comentarios y preguntas Asi empezo una colaboracion fructifera entre ambos hombres a pesar de que fue esencialmente epistolar con Joule llevando a cabo experimentos y Thomson analizando los resultados y proponiendo otros nuevos La colaboracion duro de 1852 a 1856 y sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule Thomson y los resultados publicados contribuyeron mucho a la aceptacion general del trabajo de Joule y de la teoria cinetica Teoria cinetica Editar James Prescott Joule La cinetica es la ciencia que estudia el movimiento 17 18 Joule fue alumno de Dalton y no es sorpresivo que desarrollara una firme creencia en la teoria atomica a pesar de que muchos cientificos de su epoca todavia eran escepticos Tambien fue una de las pocas personas receptivas a la poco aceptada obra de John Herapath sobre la teoria cinetica de gases Tambien fue profundamente influido por la obra de Peter Ewart de 1813 On the measure of moving force Joule percibio la relacion entre sus descubrimientos y la teoria cinetica del calor Sus notas de laboratorio revelan que creia que el calor era una forma de movimiento mas rotacional que translacional Joule no pudo resistir encontrar antecedentes de sus creencias en Francis Bacon Isaac Newton John Locke Benjamin Thompson y Humphry Davy A pesar de que estas creencias estan justificadas Joule calculo un valor para el equivalente mecanico del calor de 1 034 pies libra a partir de las obras de Thompson Algunos estudiosos actuales han criticado esto argumentando que los experimentos de Thompson no representaban medidas cuantitativas sistematicas En una de sus notas personales Joule argumenta que la medida de Mayer no era mas precisa que la de Thompson quizas esperando que Mayer no se hubiera anticipado a su obra Muerte y reconocimientos Editar Una estatua de Joule en la casa de la villa de Manchester Busto de Joule en Worthington Park Joule tenia que haber sido el presidente de la British Association en la reunion de Bradford en 1872 y de nuevo en la reunion de Manchester de 1887 pero en ambas ocasiones no pudo asistir por cuestiones de salud 4 A partir de 1872 su salud se debilito y desde aquel momento y hasta su muerte el 11 de octubre de 1889 vivio tranquilamente en su residencia del 12 de Wardle Road de Sale 4 19 donde estudiaba en la medida que su salud se lo permitia Fue enterrado en el cementerio de Brooklands 20 La lapida lleva la inscripcion 772 75 su medida culminante del equivalente mecanico del calor 1878 y una cita del Evangelio de Juan Mientras sea de dia tengo que hacer las obras de quien me ha enviado pero ahora se acerca la noche cuando nadie puede trabajar Juan 9 4 20 A lo largo de su vida pero especialmente durante sus ultimos anos recibio numerosos reconocimientos provenientes tanto de Inglaterra como del extranjero Joule fue elegido miembro en ingles Fellow de la Royal Society el dia 6 de junio de 1850 4 En 1852 el Consejo de la Royal Society le concedio Joule la Royal Medal por su tarea de investigacion 21 en 1860 le otorgaron la Medalla Copley por los mismos experimentos de la mano de Sir Edward Sabine en el discurso de entrega Sabine dijo El premio de dos medallas por la misma investigacion es un procedimiento extremadamente raro en nuestra sociedad y con razon En esta ocasion el Consejo ha deseado mostrar de la manera mas enfatica posible su opinion del caracter especial y original y la gran utilidad del descubrimiento del Sr Joule Sir Edward Sabine 1860 4 Varias universidades le concedieron el titulo de doctor honoris causa el primero fue el D C L por la Trinity College Dublin 1857 despues el D C L por la Universidad de Oxford 1860 y finalmente el D C L por la Universidad de Edimburgo 1871 4 En 1878 recibio una pension de 200 al ano por servicios a la ciencia y el 1880 el principe de Gales Eduardo VII le entrego la Albert Medal otorgada por la Royal Society of Artes 4 J P Joule es miembro honorario de la Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland desde 1857 22 Existen dos retratos al oleo de James Prescott el primero se alberga en una sala de la Manchester Literary and Philosophical Society y fue pintado por George Patten en 1863 mientras que el segundo es propiedad de Royal Society y es obra de George Reynolds en 1882 Tambien Reynolds esculpio un busto en 1882 4 En la ciudad de Manchester cuenta con bastantes reconocimientos como por ejemplo la biblioteca 23 que lleva su nombre y que dentro de la Universidad de Manchester esta especializada en obras de ciencia tecnologia e ingenieria o como la estatua esculpida por Alfred Gilbert ubicada justo ante una de Dalton en el exterior del ayuntamiento En el corazon de la Abadia de Westminster hay un monumento a Joule a pesar de que no esta enterrado alli contra lo que dicen algunas biografias 24 El parque de Worthington antiguamente parque de Sale acoge un busto de arcilla banado en bronce que representa la figura del cientifico La obra es de 1905 del escultor John Cassidy El proyecto fue financiado parcialmente por donaciones entre otros de cientificos de todo el mundo El busto presenta Joule sosteniendo una obra cientifica en la que se entreve el dibujo de un galvanometro 2 25 El crater lunar Joule posee ese nombre su honor 26 asi como el submarino frances Joule que se hundio en los Dardanelos la primavera del 1915 27 Actividad cervecera EditarJunto con su hermano Benjamin James Joule se hizo cargo de la cerveceria situada en Salford que su abuelo William habia fundado tres decadas antes de su nacimiento 28 Mientras que algunos autores afirman que Joule se implico poco en la gestion de la cerveceria otros dicen todo el contrario que Joule mostraba un gran interes para mejorar los procesos tecnicos fisicos y quimicos de la cerveceria Este ultimo punto de vista se sostiene en su correspondencia con Lord Kelvin La produccion de gas durante el proceso de fabricacion de la cerveza habria sido el punto de partida para los estudios que desembocaron en el descubrimiento del efecto Joule Thomson La enfermedad de su padre y la marcha de su hermano obligaron a James Joule a implicarse con los aspectos tecnicos y comerciales de la cerveceria Joule acabo vendiendo la cerveceria en 1855 pocos anos antes de la muerte de su padre para centrarse exclusivamente en sus experimentos cientificos 29 Obra EditarJoule estudio aspectos relativos al magnetismo especialmente los relativos a la magnetizacion del hierro por la accion de corrientes electricas que le llevaron a la invencion del motor electrico Descubrio tambien el fenomeno de magnetostriccion que aparece en los materiales ferromagneticos en los que su longitud depende de su estado de magnetizacion Pero el area de investigacion mas fructifera de Joule es la relativa a las distintas formas de energia con sus experimentos verifica que al fluir una corriente electrica a traves de un conductor este experimenta un incremento de temperatura a partir de ahi dedujo que si la fuente de energia electrica es una pila electroquimica la energia habria de proceder de la transformacion llevada a cabo por las reacciones quimicas que la convertirian en energia electrica y de esta se transformaria en calor Si en el circuito se introduce un nuevo elemento el motor electrico se origina energia mecanica Ello le lleva a la enunciacion del principio de conservacion de la energia y aunque hubo otros fisicos de renombre que contribuyeron al establecimiento de este principio como William Thomson lord Kelvin y Hermann von Helmholtz fue Joule quien le proporciono una mayor solidez En 1840 Joule publico Produccion de calor por la electricidad voltaica en la que establecio la ley que lleva su nombre y que afirma que el calor originado en un conductor por el paso de la corriente electrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de corriente En 1843 despues de numerosos experimentos obtuvo el valor numerico del equivalente mecanico del calor que concluyo que era de 4 15 J igual a una caloria en unidades de hoy lo que permitia la conversion de las unidades mecanicas y termicas este es un valor muy similar al considerado actualmente como de 4 187 J De ese modo quedaba firmemente establecida la relacion entre calor y trabajo ya avanzada por Thompson que sirvio de piedra angular para el posterior desarrollo de la termodinamica estadistica En estos trabajos Joule se basaba en la ley de conservacion de la energia descubierta en 1842 A pesar de que en 1848 ya habia publicado un articulo referente a la teoria cinetica de los gases donde por primera vez se estimaba la velocidad de las moleculas gaseosas abandono su linea de investigacion y prefirio convertirse en ayudante de William Thomson y como fruto de esta colaboracion se llego al descubrimiento del efecto Joule Thomson segun el cual es posible enfriar un gas en expansion si se lleva a cabo el trabajo necesario para separar las moleculas del gas Ello posibilito posteriormente la licuefaccion de los gases y llevo a la ley de la energia interna de un gas perfecto segun la cual la energia interna de un gas perfecto es independiente de su volumen y dependiente de la temperatura Eponimia EditarEl julio adaptacion al espanol de joule unidad de energia del Sistema Internacional lleva este nombre en su honor El crater lunar Joule lleva este nombre en su memoria El asteroide 12759 Joule tambien conmemora su nombre Notas Editar William Robert Grove formulo en 1844 una de las primeras explicaciones generales de la conservacion de la energia La energia requerida para levantar una masa m a una altura h es mgh donde g es la gravedad estandar La unidad de Joule es dimensionalmente correcta si se interpreta como fuerza pie libra Cuando se utilizan unidades del Sistema Internacional esta energia se da en terminos del eponimo joule 1 pie libra 1 356 J Referencias Editar Karoly Simonyi 1995 Kulturgeschichte der Physik en aleman Frankfurt del Main Harri Deutsch Thun p 368 ISBN 3 8171 1379 X a b Hulme Charles 2010 James Prescott Joule Worthington Park Sale 1905 John Cassidy 150th Anniversary website en ingles Consultado el 29 de mayo de 2013 a b c d e Smith 2004 a b c d e f g h i j Wikitexts Dictionary of National Biography Volume 30 Joule 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