James Prescott Joule FRS (Salford, 24 de desembre del 1818 – Sale, 11 d'octubre del 1889), fou un físic i cerveser anglès. Estudià la naturalesa de la calor i en descobrí la relació amb el treball mecànic (vegeu Energia). Això dugué a la teoria de la conservació de l'energia, que dugué al seu torn al desenvolupament de la primera llei de la termodinàmica; arribà a formular, amb independència del seu contemporani Mayer, el principi de conservació de l'energia. La unitat d'energia del SI, el joule, li deu el seu nom. Treballà amb Lord Kelvin per desenvolupar l'escala absoluta de temperatura –analitzà les variacions de temperatura d'un gas no perfecte en expandir-se–, feu observacions sobre la magnetostricció, i descobrí la relació entre el flux d'un corrent per una resistència i la calor dissipada, i arribà a formular la llei que duu el seu nom, l'anomenada llei de Joule, sobre la calor originada pel pas d'un corrent elèctric. Després de nombrosos experiments, obtingué el valor numèric de l'equivalent mecànic de la calor. Contribuí a explicar la teoria cinètica dels gasos. Fou «possiblement l'últim autodidacta que feu una contribució significativa al progrés de la ciència».
Infantesa i joventut miniatura|esquerra|Il·lustració de Joule del 1892James Prescott Joule, fill de Benjamin Joule (1784-1858), el propietari d'una fàbrica de cervesa, va néixer a la casa contigua a la fàbrica de cervesa Joule, a Nova Bailey Street, Salford, el 24 de desembre de l'any 1818. Benjamin Joule era un cerveser pròsper, i James Prescott fou educat a casa fins al 1834, quan ell i el seu germà gran Benjamin foren enviats a estudiar amb John Dalton a la Manchester Literary and Philosophical Society. Només reberen dos anys d'educació en aritmètica i geometria abans que Dalton s'hagués de retirar per un accident vascular cerebral. Tanmateix, Dalton influí en Joule, així com ho feren els seus socis, el químic William Henry i els enginyers de Manchester Peter Ewart i Eaton Hodgkinson. Més endavant, Joule fou educat per John Davies. Joule estava fascinat per l'electricitat. Ell i el seu germà experimentaven donant-se xocs elèctrics l'un a l'altre i també ho feren amb els criats de la família.Smith (2004)
Joule esdevingué gerent de la cerveseria i hi tingué un paper actiu fins que el negoci fou venut el 1854. La ciència era una afecció, però aviat començà a investigar la plausibilitat de substituir la màquina de vapor de la cerveseria amb un motor elèctric, aleshores recentment inventat. Joule tenia una habitació a casa el seu pare que la utilitzava com a laboratori; va ser allí on va començar a fer els seus primers experiments elèctrics i magnètics. El 1838 contribuí amb els seus primers treballs acadèmics sobre electricitat als Annals of Electricity, la revista científica fundada i dirigida pel soci de Davies William Sturgeon. Descobrí la llei de Joule el 1840 i intentà impressionar la Royal Society però descobrí, no per última vegada, que se'l veia com un mer principiant de província. Quan Sturgeon es mudà a Manchester el 1840, Joule i ell esdevingueren el centre d'un cercle d'intel·lectuals de la ciutat. Ambdós compartien la creença que la ciència i la teologia havien d'integrar-se. Joule ensenyà a la Royal Victoria Gallery of Practical Science de Sturgeon.
Descobrí que cremar una lliura de carbó en una màquina de vapor produeix cinc vegades el treball del consum d'una lliura de zinc en una cèl·lula de Grove,William Robert Grove va formular el 1844 una de les primeres explicacions generals de la conservació de l'energia. una de les primeres bateries elèctriques.Smith (1998) p. 60 La unitat estàndard de treball de Joule era l'habilitat d'alçar una lliura a una alçada d'un peu, el peu-lliura.L'energia requerida per alçar una massa m a una alçada h és mgh, on g és la gravetat estàndard. La unitat de Joule és dimensionalment correcta si se l'interpreta com a força peu-lliura. Quan s'utilitzen unitats del Sistema Internacional, aquesta energia es dona en termes de l'epònim joule: 1 peu-lliura = 1,356 J.
Joule fou influenciat pel pensament de Franz Aepinus i provà d'explicar els fenòmens de l'electricitat i el magnetisme en termes d'àtoms envoltats per un "èter calorífic en estat de vibració".
Tanmateix, l'interès de Joule canvià d'un interès purament financer de quanta feina es podia extreure d'una única font, portant-lo a especular sobre la convertibilitat de l'energia. El 1843 publicà els resultats dels seus experiments, que demostraven que l'efecte d'escalfament que havia quantificat el 1841 es devia a la generació de calor al conductor i no a la seva transmissió d'una altra part de l'equipament.Joule, J.P. (1843). Philosophical Magazine, 23, 263; Scientific Papers 123 Això era un repte directe a la teoria del calòric, que sostenia que la calor no es podia ni crear ni destruir. La teoria del calòric havia dominat el pensament en la ciència de la calor des que Antoine Lavoisier l'havia introduït el 1783. El prestigi de Lavoisier i l'èxit pràctic de la teoria del calòric de la màquina de vapor de Sadi Carnot des del 1824 feren que el jove Joule, que treballava fora dels àmbits acadèmic i d'enginyeria, tingués un camí difícil per recórrer. Els valedors de la teoria del calòric indicaren la simetria de l'efecte Peltier-Seebeck per afirmar que la calor i el corrent són convertibles, almenys aproximadament, per un procés reversible.
El juny de 1844, el seu pare es va traslladar de Pendlebury a Whalley Range i hi feu construir un laboratori per al seu fill situat prop de la casa. Joule va mantenir una estreta relació amb la Manchester Literary and Philosophical Society. El 25 de gener de 1842 esdevenia membre de la societat, el 1844 era escollit bibliotecari, el 1846 secretari honorari, el 1851 vicepresident i finalment, el 1860 esdevindria president per primer cop.
L'equivalent mecànic de la calor
En la seva obra del 1845, Joule escrigué:
miniatura|L'aparell de calor de Joule (1845). En aquest passatge, Joule adopta el llenguatge de la vis viva (energia), possiblement perquè Hodgkinson havia llegit una revisió de l'obra d'Ewart On the measure of moving force a la Literary and Philosophical Society l'abril del 1844.
Experiments i mesures posteriors fets per Joule el portaren a calcular que l'equivalent mecànic de la calor era de 838 peus-lliura per elevar la temperatura d'una lliura d'aigua en un grau Fahrenheit.La unitat de Joule correspon a 5,3803×10-3 J/caloria. Per tant, l'estimació de Joule era de 4,51 J/cal, en comparació al valor acceptat a principis del de 4.186 J/cal (M.W. Zemansky (1968) Heat and Thermodynamics, 5th ed., p. 86). Anuncià els seus resultats a una trobada del departament de química de la British Association for the Advancement of Science a Cork el 1843, però es trobà amb un silenci.
Joule no es desanimà i començà a cercar una demostració purament mecànica de la conversió de treball en calor. Forçant aigua a través d'un cilindre perforat, fou capaç de mesurar el lleuger escalfament viscós del fluid. Obtingué un equivalent mecànic de 770 peus-lliura/UTB (4,14 J/cal). El fet que els valors obtinguts tant per mitjans elèctrics i purament mecànics es corresponguessin a almenys un ordre de magnitud era, per a Joule, evidència convincent de la realitat de la convertibilitat de treball en calor.
Joule provà un tercer camí. Mesurà la calor generada amb el treball fet en comprimir un gas. Obtingué un equivalent mecànic de 823 peus-lliura (4,43 J/cal).Joule, J.P. (1845) "On the rarefaction and condensation of air" Philosophical Magazine, Scientific Papers 172 De moltes maneres, aquest experiment es convertí en l'objectiu més fàcil pels crítics de Joule, però Joule s'encarregà de les objeccions anticipades mitjançant experiments intel·ligents. Tanmateix, la seva obra fou refusada per la Royal Society i s'hagué de contentar amb publicar-la a la Philosophical Magazine. En aquesta obra quedava evident el seu refús del raonament calòric de Carnot i Émile Clapeyron, però també eren evidents les seves motivacions teològiques:
miniatura|Aparell per determinar l'equivalent mecànic a la calor miniatura|L'aparell de Joule per mesurar l'equivalent mecànic de la calor. El 1845, Joule llegí la seva obra On the mechanical equivalent of heat a la reunió de la British Association a Cambridge.Joule, J.P. (1845) "On the Mechanical Equivalent of Heat" , Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect, p.31, llegit a la British Association a Cambridge En aquesta obra, explicà el seu experiment més conegut, utilitzant un pes caient per fer girar un rodet en un barril d'aigua aïllat, del qual mesurà l'increment de temperatura. La seva nova estimació de l'equivalent mecànic era de 819 peus-lliura/BTU (4.41 J/cal).
El 1850, Joule publicà una mesura refinada de 772,692 peus-lliura/BTU (4,159 J/cal), més propera a les estimacions del .Joule, J.P (1950) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol.140, Part 1, pp61-82
Recepció i prioritat
Gran part de la resistència inicial a l'obre de Joule es devia a la seva dependència de mesures extremament precises. Afirmava poder mesurar temperatures amb un marge d'error de només 1/200 de grau Fahrenheit. Una precisió d'aquesta magnitud era certament rara en la física experimental dels seus temps però els seus crítics podrien haver negligit la seva experiència en l'art de la cerveseria i en el seu accés a tecnologies pràctiques.Sibum (1994) També rebé el suport del fabricant d'instruments científics John Benjamin Dancer.
Tanmateix, l'alemany Hermann Helmholtz descobrí l'obra de Joule i una obra similar publicada el 1842 per Julius Robert von Mayer. Malgrat que ambdós havien estat negligits des de les seves publicacions, la declaració definitiva del 1847 de Helmholtz de la conservació de l'energia donava crèdit a tots dos.
També el 1847, a una de les exposicions de Joule a la British Association a Oxford hi assistiren George Gabriel Stokes, Michael Faraday, i el precoç i independent William Thomson que més tard esdevindria Lord Kelvin i que acabava d'aconseguir el lloc de catedràtic de filosofia natural a la Universitat de Glasgow. Stokes se sentí "inclinat a ser un Joulita" i "Faraday" en fou impressionat, tot i que tenia dubtes. Thomson estava intrigat però romania escèptic.
Thomson i Joule es trobaren d'imprevist més tard aquell any a Chamonix. Joule es casà amb Amelia Grimes el 18 d'agost i la parella marxà de lluna de mel. Deixant de banda l'entusiasme marital, Joule i Thomson decidiren intentar un experiment uns dies més tard per mesurar la diferència de temperatura entre la part superior i la part inferior de la Cascada de Sallanches, tot i que més tard això es revelà molt poc pràctic.