Joule, James Prescott

Joule, James Prescott

Salford (Manchester), 24 dicembre 1818
Sale (Manchester), 11 ottobre 1889

Fisico, ha formulato la teoria dinamica del calore con una serie di esperimenti ben progettati ed attentamente eseguiti.

Dei quattro uomini i cui nomi sono usualmente associati allo sviluppo del primo principio della termodinamica - Mayer, Rumford, Helmholtz e Joule - Joule fu il vero fisico sperimentale. Fu il suo dedicarsi costantemente alla conferma sperimentale del principio di conservazione dell'energia che alla fine convinse i suoi contemporanei della validità universale di quel principio. Joule nacque nel 1818 a Salford vicino a Manchester in Inghilterra da un ricco proprietario di una fabbrica di birra. Studiò in casa e per tre anni ebbe come insegnante l'eminente chimico John Dalton, allora settantenne. Dalton trasmise a Joule il suo grande amore per la scienza e la sua passione per ben fondati dati numerici sui quali basare le leggi e le teorie scientifiche. Sfortunatamente Joule studiò poco la matematica e questo gli impedì, negli ultimi anni della sua vita, di dare ancora più significativi contributi alla fisica. Joule non esercitò alcuna reale professione e alcun lavoro ad eccezione della sua cooperazione nella fabbrica del padre. Fino al 1854, anno in cui questa fabbrica fu venduta, Joule vi lavorò e vi fece i suoi esperimenti durante il tempo libero. Dopo il 1854, egli ebbe il tempo ed il denaro per continuare i suoi esperimenti di fisica in un laboratorio che si era costruito a casa sua. Più tardi Joule ebbe difficoltà finanziarie e fu necessario che gli venisse dato dalla regina Vittoria un sussidio governativo perché egli potesse continuare le sue ricerche. Durante gli anni dal 1837 al 1847 Joule dedicò tutto il suo tempo disponibile ad una varietà di esperimenti sulla trasformazione di varie forme di energia - meccanica, elettrica, chimica - in calore. Costruì dei termometri in grado di misurare temperature con la sensibilità di 1/200 di grado Fahrenheit e questo dette al suo lavoro una precisione non ottenuta da altri fisici fino a quel tempo. Nel 1840 propose per la prima volta la formula Q / t = I2 · R per la potenza con la quale veniva generato calore da una corrente elettrica 'I' che percorre un filo di resistenza 'R'. Questa formule viene ora chiamata Legge di Joule. Nel giugno del 1847 Joule presentò una memoria ad un meeting della British Association in Oxford che riportava il più accurato valore sperimentale dell'equivalente meccanico del calore (equivalente di Joule) mai ottenuto fino a quel tempo. I colleghi di Joule sonnecchiavano ed erano disinteressati finchè un giovane nell'uditorio, William Thomson (in seguito Lord Kelvin), fece notare il significato del lavoro di Joule. Questo rappresentò il giro di boa della carriera di Joule. Nel 1850 Joule fu chiamato a far parte della Royal Society in seguito al suo lavoro sulla trasformazione dell'energia ed egli divenne molto influente nei circoli scientifici del tempo. Divenne presidente dell'Associazione Britannica per lo Sviluppo della Scienza nel 1872 e ancora nel 1877 e il suo nome fu dato all'unità di energia (il joule). Durante la sua luna di miele trovò il tempo di misurare la temperatura dell'acqua in cima ed in fondo ad una cascata naturale per vedere se la differenza tra le due temperature andava d'accordo col valore previsto in base al principio di conservazione dell'energia! Egli pensava che la natura fosse semplice e si sforzava di trovare le semplici relazioni (come la Legge di Joule in elettricità) che era convinto dovessero esistere fra importanti quantità fisiche. La sua scoperta di due di tali relazioni dette un grande contributo allo sviluppo del concetto moderno di energia.

l fisico britannico James Prescott Joule, dopo aver esaminato gli effetti termici della corrente elettrica, decise di indagare sugli effetti termici del movimento meccanico.

A tale scopo costruì il mulinello a palette riprodotto nella figura. I due pesi raffigurati, scendendo verso il basso mettono in rotazione il mulinello contenuto nel calorimetro. Dopo diverse ripetizioni di tale processo quando il sistema è tornato all'equilibrio, si nota che la temperatura del sistema è aumentata di una quantità T corrispondente ad una quantità di calore Q_tot calcolabile attraverso la formula Q_tot = m cT. L'acqua agisce sulle palette creando un attrito viscoso che cresce all'aumentare della velocità delle palette. I due pesi scendono con un' accelerazione simile a g, ma quando la velocità aumenta anche l' attrito dell' acqua diventa maggiore. In breve tempo quindi la resistenza idrodinamica che agisce sul mulinello diventa uguale alla forza peso agente sui due pesi per cui questi scendono con velocità costante. Di conseguenza l' energia cinetica finale K dei due pesi è minore della loro energia potenziale W. E' stata dissipata una quantità di energia E = W - K per attrito nel calorimetro. Dopo N ripetizioni, l'energia dissipata per attrito è E_tot = N E. Joule arrivò a dimostrare che il rapporto   E_tot / Q_tot era costante. Da ciò deriva che il calore ed energia sono la stessa quantità fisica. Fu quindi accettata l'idea che il calore è come il lavoro una delle modalità di trasmissione dell'energia.