James Prescott Joule (24. december 1818 - 11. oktober 1889) var en engelsk fysiker, født i Salford, nær Manchester. I sin tid bidrog han i høj grad til elektricitets- og termodynamikkens verden. Han var bedst kendt for at have opdaget Joules lov, som beskrev elektrisk opvarmning ved at sige, at den varmemængde, der hvert sekund produceres i en leder af en elektrisk strøm, er proportional med lederens modstand og kvadratet på strømmen. Enheden for dette er joule, som svarer til et watt-sekund. Senere arbejdede Joule sammen med William Thomson for at finde ud af, at temperaturen i gas falder, når gasen udvider sig. Dette princip blev dengang kendt som Joule-Thomson-effekten.

Liv og virke

Joule voksede op i en velstående familie, som ejede bryggerivirksomhed i Salford. Han havde ikke traditionel universitetsuddannelse inden for naturvidenskab, men var en omhyggelig eksperimenterende autodidakt. I sit arbejde kombinerede han praktiske eksperimenter med grundige målinger for at undersøge varme, elektricitet og magnetisme. Senere i karrieren fik han anerkendelse i det videnskabelige miljø og samarbejdede blandt andet med William Thomson (senere Lord Kelvin).

Vigtigste videnskabelige bidrag

  • Joules lov – Joule formulerede at effekten (varmeudviklingen) i en elektrisk leder er proportional med modstanden og kvadratet på strømmen. I praksis angives varmemængden over tid ofte ved udtrykket P = I²R, og over tid t: Q = I²R t.
  • Mekanisk ækvivalent for varme – Joule viste ved en række omhyggelige eksperimenter i midten af 1800-tallet, at varme kan frembringes ved mekanisk arbejde. Hans klassiske forsøg var et svinghjuls-/piskeforsøg, hvor en faldende vægt drejede omrørere i en lukket beholder med vand, og den målte temperaturstigning i vandet kunne relateres til det udførte arbejde. Det dokumenterede, at varme er en form for energi og ikke en substans (kalorisk teori) i sig selv.
  • Joule–Thomson-effekten – I samarbejde med William Thomson undersøgte han, hvordan temperaturen i en gas ændrer sig, når den udvider sig uden arbejde udefra og uden varmeudveksling (adiabatisk udvidelse ved konstant entalpi). Effekten har stor betydning for køleteknik og gasbehandling.

Metoder og resultater

Joules eksperimenter var præget af omhyggelig måleteknik og gentagne forsøg. I sit mekaniske-til-varme-forsøg brugte han:

  • en kalibreret vægt til at udføre et kendt mekanisk arbejde,
  • et omrøringssystem (pisker/paddle wheel) i en isoleret beholder fyldt med vand,
  • nøjagtige termometre og beregning af varmetab for at bestemme den reelle temperaturstigning.

Ud fra sådanne målinger udledte han en værdi for den mekaniske ækvivalent af varme. Moderne enheder angiver, at 1 kalorie ≈ 4,186 J, og Joules arbejde var centralt for at fastslå den slags omregningsfaktorer og for at fremme begrebet energikonservering.

Betydning og arv

Joules arbejde var en hjørnesten i udviklingen af termodynamikkens første princip (energibevarelse) og bidrog til at afvise den gamle kaloriske teori. Hans eksperimenter viste klart, at varme og mekanisk arbejde er to manifestationer af samme fysiske størrelse: energi.

Som anerkendelse for hans indsats er SI-enheden for energi opkaldt efter ham: joule (J). Hans samarbejde med William Thomson førte desuden til vigtige fremskridt inden for termodynamik og til forståelsen af hvordan temperatur ændrer sig ved gasudvidelse (Joule–Thomson-effekten), hvilket er centralt i køle- og gaskompressionsteknik.

Eftermæle

James Prescott Joule døde i 1889, men hans eksperimentelle metoder og resultater lever videre i moderne fysik og ingeniørvidenskab. Han huskes som en af de væsentlige eksperimentelle fysikere i 1800-tallet, hvis arbejde bidrog til at bygge bro mellem mekanik, elektricitet og varme.