James Prescott Joule: biografía del físico que midió el equivalente mecánico del calor

Un científico formado fuera de la universidad

Joule nació en el seno de una familia propietaria de una próspera cervecería en Salford, cerca de Mánchester, y se educó principalmente en casa debido a una salud delicada durante la infancia. Entre 1834 y 1837 recibió clases privadas del químico John Dalton, ya anciano en esa época, cuya influencia despertó en Joule un interés duradero por la investigación experimental rigurosa. A diferencia de muchos científicos de su tiempo, Joule nunca asistió a la universidad ni ocupó un puesto académico remunerado: financió sus propias investigaciones con los beneficios de la cervecería familiar, en la que trabajó activamente durante años.

Sus primeros trabajos, realizados en un laboratorio instalado junto a la cervecería, se centraron en el estudio del calor generado por la corriente eléctrica en los conductores, lo que le permitió formular en 1840 la relación conocida hoy como ley de Joule, según la cual el calor producido en un conductor es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a su resistencia y al tiempo de paso. Este hallazgo inicial fue el punto de partida de una línea de investigación mucho más ambiciosa sobre la naturaleza misma del calor.

Referencias:

La búsqueda del equivalente mecánico del calor

Durante la década de 1840, Joule diseñó una serie de experimentos cada vez más precisos para demostrar que el calor no era un fluido sutil, como sostenía la teoría del "calórico" entonces dominante, sino una forma de energía que podía convertirse en trabajo mecánico y viceversa, en una proporción fija y medible. Su experimento más célebre consistió en un recipiente de agua aislado térmicamente, dentro del cual unas paletas giratorias, accionadas por la caída de unas pesas conocidas a través de un sistema de poleas, agitaban el líquido y elevaban ligeramente su temperatura.

Midiendo con extremo cuidado tanto el trabajo mecánico realizado por las pesas al caer como el aumento de temperatura del agua, Joule calculó en 1843 un valor numérico para lo que llamó el "equivalente mecánico del calor": la cantidad de trabajo mecánico necesaria para elevar en un grado la temperatura de una determinada masa de agua. Repitió estos experimentos durante años, refinando el método y reduciendo fuentes de error, hasta obtener en 1850 un valor muy cercano al que se acepta en la actualidad, una hazaña de precisión experimental notable para la instrumentación disponible en esa época.

Referencias: [1] · [2]

La recepción de sus resultados y la colaboración con Thomson

Cuando Joule presentó sus primeros resultados ante la comunidad científica británica, a comienzos de la década de 1840, sus conclusiones fueron recibidas con escepticismo, en parte porque contradecían la teoría del calórico y en parte porque provenían de un investigador ajeno al circuito académico establecido, sin afiliación universitaria. Su exposición ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en 1847 pasó casi inadvertida hasta que un joven físico escocés presente en la sala, William Thomson —más tarde conocido como lord Kelvin—, reconoció la importancia del trabajo y decidió profundizar en él.

La colaboración posterior entre Joule y Thomson resultó decisiva para el desarrollo de la termodinámica como disciplina: juntos investigaron el llamado efecto Joule-Thomson, la variación de temperatura que experimenta un gas al expandirse sin realizar trabajo externo, fenómeno que más tarde se aplicaría en la tecnología de refrigeración y licuefacción de gases. El respaldo de Thomson ayudó también a que los resultados de Joule fueran finalmente aceptados por la Royal Society y contribuyeran, junto con los trabajos de Hermann von Helmholtz y Rudolf Clausius, a consolidar el principio de conservación de la energía.

Referencias: [2] · [3]

Reconocimiento y legado

Joule fue elegido miembro de la Royal Society en 1850 y recibió su Medalla Copley en 1870, en reconocimiento a la totalidad de su obra experimental sobre el calor y la energía. Continuó realizando experimentos de precisión durante buena parte de su vida, aunque las dificultades financieras de sus últimos años, agravadas por el declive del negocio familiar de la cervecería, limitaron los recursos con los que podía sostener su actividad científica independiente.

En 1889, poco antes de su muerte, el Congreso Internacional de Electricistas reunido en París adoptó el nombre "julio" para la unidad de energía y trabajo del sistema internacional, en homenaje a sus contribuciones fundamentales al establecimiento de la primera ley de la termodinámica. El principio que ayudó a demostrar experimentalmente —que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra— es hoy uno de los pilares de toda la física.

Referencias: [3] · [4]

Cronología

1. 1818

   Nace en Salford, cerca de Mánchester.

2. 1840

   Formula la ley de Joule sobre el calentamiento de conductores eléctricos.

3. 1843

   Publica su primera estimación del equivalente mecánico del calor.

4. 1847

   William Thomson (lord Kelvin) respalda su trabajo tras una exposición pública.

5. 1850

   Es elegido miembro de la Royal Society y refina el valor del equivalente mecánico del calor.

6. 1889

   Muere en Sale, Cheshire, el mismo año en que se adopta el julio como unidad de energía.