James Joule

Biografia

James Prescott Joule nasce il 24 dicembre 1818 a Salford, vicino a Manchester, in Gran Bretagna, secondo di cinque figli di un proprietario di una birreria. Caratterizzato da un fisico gracile e cagionevole, viene educato principalmente a casa. Benché da giovane segua alcuni corsi di chimica, la sua formazione è essenzialmente da autodidatta, specialmente nel campo dell'elettromagnetismo. Nel 1839 nel laboratorio della sua abitazione inizia i suoi studi sull'efficienza dei motori elettrici, che lo porteranno a sviluppare le sue conoscenze sul calore. Si dedica, quindi, a ricerche scientifiche basate su misurazioni estremamente accurate e precise.

Laureatosi a Leida, Joule torna a Salford dove possiede e gestisce la fabbrica di birra del padre. Ben presto però la passione per la scienza lo induce a concentrarsi solo sugli studi: si interessa, in particolare, al calore e ai suoi rapporti con la meccanica e l'elettricità. Dopo avere inviato alla Royal Society, nel 1840, un articolo intitolato "On the production of heat by voltaic electricity" in cui - avendo indagato sugli effetti termici - dimostra che il calore prodotto da un conduttore attraversato da corrente elettrica è proporzionale al quadrato della corrente stessa e alla resistenza del conduttore (il fenomeno che oggi viene chiamato, appunto, effetto Joule), a 25 anni cerca di definire l'unità di misura della corrente elettrica. In seguito, in occasione di un congresso in Irlanda enuncia il principio equivalente meccanico del calore. James Joule dimostra che il lavoro meccanico e il calore possono convertirsi l'uno nell'altro direttamente pur conservando immutato il proprio valore complessivo: mentre nelle macchine termiche il lavoro (l'effetto meccanico prodotto) proviene da una quantità equivalente di calore, nelle macchine meccaniche e idrauliche gli attriti convertono in calore il lavoro, cioè la potenza meccanica perduta.

È così che Joule pone le basi del primo principio della termodinamica, anche se in realtà agli inizi la sua scoperta - che rileva che il calore rappresenta una forma di energia meccanica e indirettamente dimostra il principio di conservazione dell'energia per i sistemi termodinamici - non viene accolta con particolare interesse dalla comunità scientifica (essa sarà costretta a ricredersi in seguito, al punto che la Royal Society assegnerà a Joule la Royal Medal e la Copley Medal). I risultati dei suoi esperimenti sul lavoro meccanico vengono presentati in un articolo, "On the calorific effects of magneto-electricity and on the mechanical value of heat", che egli espone in un incontro della British Association del 1843 ma che passa quasi inosservato.

Nei sei anni seguenti, applicando variazioni alle sue procedure, egli continua le sue misurazioni ottenendo dimostrazioni e verifiche sempre più concrete delle sue prime teorie. Nel 1845 Joule costruisce una macchina (attualmente nota come mulinello di Joule) per misurare l'equivalente meccanico del calore prodotto in seguito alla dissipazione di una quantità di energia meccanica conosciuta. La macchina è costituita da un calorimetro che contiene acqua dentro cui è presente un mulinello che ruota attorno a un asse verticale, connesso a una coppia di pesi con un sistema di pulegge e funi. Joule dimostra che servono circa 4.41 Joule di lavoro per fornire una quantità di calore corrispondente a una caloria. Nel 1847 i risultati dei suoi studi giungono all'attenzione di William Thomson (più tardi conosciuto come Lord Kelvin) che ne intuisce l'importanza significativa: anche grazie al suo aiuto lo studioso di Salford riesce a ottenere ascolto per il suo lavoro nel 1849, quando il suo articolo "On the mechanical equivalent of heat" viene letto e accettato per la pubblicazione dalla Royal Society.

Nonostante l'importanza delle sue scoperte, egli rimarrà comunque uno scienziato isolato per la maggior parte della sua vita. Dopo la morte di sua moglie e di sua figlia nel 1853, vivrà praticamente da solo, con pochissimi contatti con il mondo esterno. Dopo la scoperta - insieme con Thomson nel 1862 - del cosiddetto effetto Joule-Thomson, a partire dal 1872 la sua salute inizia a peggiorare: James Joule muore all'età di settant'anni l'11 ottobre 1889 nella sua casa di Sale, nel Cheshire.