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».
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. 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 sus socios, el químico William Henry y los ingenieros de Mánchester 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 descargas eléctricas el uno al otro y también a los criados de la familia.
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. 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 e intentó impresionar a la Royal Society pero descubrió, no por última vez, que se le veía como un mero principiante de provincias. Cuando Sturgeon se mudó a Mánchester 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.
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, una de las primeras baterías eléctricas. La unidad estándar de trabajo de Joule era la capacidad de levantar una libra a una altura de un pie, el pie-libra.
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".
Aun así, el interés de Joule cambió desde algo puramente financiero sobre cuánto 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. 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.
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. 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.
El equivalente mecánico del calor
En su obra del 1845, Joule escribió:
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. 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). 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:
En 1845, Joule leyó su obra On the mechanical equivalient of heat en la reunión de la British Association en Cambridge. 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.
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. También recibió el apoyo del fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer.