mini|James Prescott Joule (1882) mini|Joule-Statue im Rathaus von Manchester mini|Grabstein von Joule mit dem Zahlenwert 772,55 des Wärmeäquivalents
James Prescott Joule []Zitat Oxford English Dictionary (OED): “Although some people of this name call themselves dʒaʊl, and others dʒəʊl, it is almost certain that J. P. Joule (and at least some of his relatives) used dʒuːl.” (* 24. Dezember 1818 in Salford bei Manchester; † 11. Oktober 1889 in Sale) war ein britischer Physiker. Als Nachkomme einer Brauerfamilie war er selbst Besitzer einer Bierbrauerei und forschte, ausgehend von technischen Fragen des MaschinenbausHermann von Helmholtz: Vorträge und Reden. Band 1, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1884, S. 346 (online). und des Brauereiwesens, zu naturwissenschaftlichen Fragen. Die SI-Einheit der Energie wurde ihm zu Ehren „Joule“ genannt.
Leben James Prescott Joule war der zweite Sohn des Brauereibesitzers Benjamin Joule (1784–1858) und dessen Frau Alice Prescott. Neben dem älteren Bruder Benjamin (1817–1895) hatte Joule noch zwei jüngere Schwestern Alice und Mary sowie einen jüngeren Bruder John Arthur. Sein Großvater, William Joule (1745–1799), entstammte einer Kleinbauernfamilie aus Youlgreave (Derbyshire). Er wanderte nach Salford aus, gründete eine Brauerei und wurde wohlhabend.Osborne Reynolds: Memoir of James Prescott Joule (= Memoirs and Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society 4. Folge, Band 6). Manchester 1892, S. 25–26 (online).
Weil er seit seiner Kindheit an einer Wirbelsäulenerkrankung litt,Anke Wilde: James Prescott Joule – Bierbrauer und Tüftler. Deutschlandradio Kultur. und er als anfällig galt,Katarzyna Przegietka (Übersetzung: Vanessa Schmid): Biographie von James Prescott Joule. science-story-telling.eu (PDF; 0,2 MB). erhielt der naturwissenschaftlich begabte Joule gemeinsam mit seinem Bruder Benjamin Privatunterricht. Dieser begann im Hause seines Vaters in Broomhill, Pendlebury, durch die Halbschwester seiner Mutter. Einer ihrer Lehrer war ab 1834 der Chemiker und Physiker John Dalton. Dalton unterrichtete die Joules zweimal die Woche. Joule war in seiner Jugendzeit sehr experimentierfreudig. So verlor Joule seine Augenbrauen durch ein Experiment mit Sprengstoffen. Er ließ Drachen bei Gewitter steigen oder steigerte Elektroschocks bei einem Dienstmädchen, bis sie bewusstlos wurde.Schilderung des Versuchs: , wobei hier die „Patientin“ namenlos bleibt. Der Versuch wird auf den 31. Mai 1841 datiert. 1837 richtete Joule sich im Keller der Brauerei ein Labor ein.
Joule heiratete am 18. August 1847 Amelia Grimes († 1854). Der erste Sohn war Benjamin Arthur Joule (1850–1922), die Tochter hieß Alice Amelia (1852–1899). Seine Frau verstarb wenige Monate, nachdem im Alter von knapp drei Wochen der Sohn Henry starb.Alan Gall: James Joule – Brewer and Man of Science. In: Brewer History, 115, S. 2–6 (Online)
Nach dem Tod seiner Frau zog James Joule von der Acton Square in die Whalley Range in Manchester zu seinem Vater. 1858 kaufte James Immobilien in Old Trafford. Beschwerden der Nachbarn über seine Experimente erzwangen seinen Wegzug. Nach neun Jahren in Cliff Point, Higher Broughton, Salford, zog er letztlich in die Wardle Road 12 in Sale.
Von 1872 an plagten Joule gesundheitliche Probleme. Als er in späteren Jahren in finanzielle Schwierigkeiten geriet, gewährte ihm die britische Königin Victoria ab 1878 eine Pension von jährlich 200 Pfund, zu dieser Zeit schwanden seine geistigen Kräfte. Er verstarb nach langer Krankheit in seinem Haus in Sale am 11. Oktober 1889 und wurde auf dem Friedhof von Sale bestattet. Auf seinem Grabstein ist der Zahlenwert 772,55 des Wärmeäquivalents zu sehen, in den damals gebräuchlichen Einheiten gibt dieser 1878 von James Joule gefundene Wert die Energie an, die für die Erwärmung eines Pfunds Wasser um ein Grad nötig ist.
Joule als Naturwissenschaftler mini|Joule-Apparat zum Nachweis der Äquivalenz von mechanischer Arbeit und Wärme. 1838 begann Joule auf der Grundlage der Arbeiten von William Sturgeon mit elektromagnetischen Experimenten. Sein Ziel war die genauere experimentelle Untersuchung, welchen Wirkungsgrad ein Elektromotor erreichen kann. Dazu experimentierte er mit verschiedenen Eisensorten für Elektromagnete und deren magnetische Anziehung. Ein weiterer Aspekt war die quantitative Untersuchung der Wärmewirkungen des Stroms, diese Erwärmung des stromdurchflossenen Leiters wird Joulesche Wärme genannt. 1840 formulierte er das erste Joulesche Gesetz, nach dem die Wärme proportional dem Produkt aus dem Quadrat der Stromstärke und dem Widerstand des Stromkreises ist. Joule bewies, dass die von einer Batterie erzeugte Wärmemenge direkt mit der Menge des chemisch umgesetzten Metalls in der Batterie zusammenhängt. Das Fazit seiner Bemühungen um einen effizienten Elektromotor war ernüchternd: Der bestmögliche erreichbare Wirkungsgrad betrug nur 20 % des Wertes der optimalen kohlebefeuerten Dampfmaschinen seiner Zeit, wobei die Kosten für den Batteriestrom zusätzlich erheblich über denen für Kohle lagen. Die Experimente zum Wirkungsgrad des belasteten Elektromotors führten Joule zu Fragestellungen der Thermodynamik. Während die vom elektrischen Strom erzeugte Wärmemenge genau mit dem chemischen „Verbrennungsvorgang“ in der Batterie übereinstimmte, war die Wärmeerzeugung bei der Verwendung eines elektrischen Generators als Stromquelle dadurch nicht zu erklären. Gemäß der Theorie vom unzerstörbaren Wärmestoff („Caloricum“) müssten sich – da ein chemischer Vorgang zur Erklärung ausschied – die Werkstoffe des Generators abkühlen, was sie aber nicht taten. Joules Schlussfolgerung war, dass die auftretende Wärme gleich der zum Betrieb des Generators aufgewendete Arbeit (er verwendet den Terminus vis viva) sein muss. Aufgrund der von ihm vermuteten Äquivalenz von mechanischer Arbeit und Wärme muss es ein konstantes Umwandlungsverhältnis von mechanischer Energie und Wärme geben. Dieses Wärmeäquivalent bestimmte er in zahlreichen unterschiedlichen Versuchen in den Jahren 1843 bis 1847, beispielsweise mit Kompression von Luft oder der Reibung zwischen Eisenscheiben und Flüssigkeiten. Der klassische, nach ihm benannte Versuch, wurde 1843 von ihm durchgeführt: Einer thermisch isolierten Wassermenge wurde eine definierte Menge mechanischer Energie zugeführt und anschließend die Temperaturerhöhung gemessen. Ergebnis seiner Untersuchungen war, dass eine British thermal unit, also die Wärmeenergie, die benötigt wird, um ein britisches Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erwärmen, dem Gewicht von 772,55 Pfund, das aus einer Höhe von einem Fuß fällt, entspricht. In moderner Ausdrucksweise ergibt sich ein Zahlenwert von etwa 4,15 Joule pro Kalorie – in guter Übereinstimmung mit dem heutigen Wert von 4,1868.
Den Nachweis des Wärmeäquivalents erbrachte 1841 bereits der Robert Mayer, der damit allerdings ebenfalls zunächst keine Anerkennung fand. Als Hermann von Helmholtz den Energieerhaltungssatz 1847 in Über die Erhaltung der Kraft endgültig ausformulierte, würdigte er mehrfach Joule, sprach in späteren Veröffentlichungen Mayer die Priorität zu.Über die Erhaltung der Kraft. Einleitung zu einem Cyclus von Vorlesungen, gehalten in Carlsruhe während des Winter 1862 auf 1863. In: Populäre wissenschaftliche Vorträge. Heft 2, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1871, S. 141–142 (online): „Die Möglichkeit seiner allgemeinsten Gültigkeit sprach zuerst ein schwäbischer Arzt, Dr. Julius Robert Mayer, im Jahre 1842 aus, während beinahe gleichzeitig und unabhängig von ihm der englische Techniker James Prescott Joule in Manchester eine Reihe wichtiger und schwieriger Versuche über das Verhältniss der Wärme zur mechanischen Kraft durchführte, welche dazu dienten, die Hauptlücken, in denen die Vergleichung der neuen Theorie mit der Erfahrung noch mangelhaft war, auszufüllen.“
1847 sprach Joule zum wiederholten Mal in Oxford vor der British Association for the Advancement of Science. Diesmal konnte er seine Zuhörer mehr überzeugen als zuvor, darunter George Gabriel Stokes und Michael Faraday. Nach anfänglichen Zweifeln bedeutete dieses Treffen auch den Beginn der Zusammenarbeit mit William Thomson, 1. Baron Kelvin. Ab 1852 arbeitete Joule gemeinsam mit Thomson an Experimenten zur Bestätigung thermodynamischer Theorien. 1852 zeigten die beiden Forscher, dass ein Gas, das sich ungestört ausdehnen kann, sich abkühlt. Dieser Joule-Thomson-Effekt war ein Beweis für die Annahme, dass zwischen den Gasmolekülen schwache Kräfte wirksam sind. Anwendung findet der Satz bei der Gasverflüssigung und in der Kältetechnik. Außerdem konzipierte Joule den idealen Kreisprozess der Heißluftmaschine (Joule-Prozess).
1846 entdeckte Joule mit der Längenänderung magnetisierter ferromagnetischer Stoffe die Magnetostriktion (was – wie andere Effekte auch – „Joule-Effekt“ genannt wird), die bei der Erzeugung von Ultraschallwellen angewendet wurde. 1847 formulierte er die Ansicht, dass die Sternschnuppen sehr schnell in die Erdatmosphäre eintauchende Körper sind, bei denen die umgewandelte Bewegungsenergie zum Aufglühen führt. Er behandelte 1869 auch das Phänomen des „grünen Blitzes“ oder analysierte 1871 Photographien der Sonne.[On some photographs of the sun.] In: Proceedings of the Literary and Philosophical Society of Manchester. Band 10, Manchester 1871, S. 132–133 (Digitalisat).
Joule als Brauer Joule übernahm und betrieb zusammen mit seinem Bruder Benjamin die in Salford gelegene Brauerei, die gut 30 Jahre vor seiner Geburt von seinem Großvater Wiliam gegründet worden war. Während einige Autoren davon ausgehen, dass James Joule wenig mit dem Geschäftsbetrieb der Brauerei zu tun hatte, gehen andere ganz im Gegenteil von einem großen Interesse Joules gerade auch an der Verbesserung der technisch-physikalisch-chemischen Abläufe der väterlichen Brauerei aus und führen dazu seinen Briefwechsel mit William Thomson, 1. Baron Kelvin als Beleg an. Demnach sei die Gasproduktion bei der Bierherstellung der Ausgangspunkt weitergehender Betrachtungen gewesen, die schließlich zur Beschreibung des Joule-Thomson-Effekts führten. Durch die Erkrankung seines Vaters und den Rückzug seines Bruders aus dem Brauereibetrieb musste James Joule sich mit der technischen und der kaufmännischen Seite der Bierherstellung auseinandersetzen. Die Brauerei wurde im Jahr 1855, im Zusammenhang mit Krankheit und Tod des Vaters, verkauft, damit sich Joule ganz seinen naturwissenschaftlichen Experimenten widmen konnte.
Ehrungen Joule war ab dem 25. Januar 1842 Mitglied der Manchester Literary and Philosophical SocietyComplete list of the members & officers of the Manchester Literary and Philosophical Society, from its institution on February 28th, 1781, to April 28th, 1896. Manchester 1896, S. 28 (online). und mehrfach (1860/1861, 1868/1869, 1872/1863 und 1878/1879) deren Präsident.Complete list of the members & officers of the Manchester Literary and Philosophical Society, from its institution on February 28th, 1781, to April 28th, 1896. Manchester 1896, S. 9 (online).
Am 6. Juni 1850 wurde Joule als Mitglied („Fellow“) in die Royal Society gewählt, die ihn 1852 mit der Royal Medal (‘For his paper on the mechanical equivalent of heat, printed in the Philosophical Transactions for 1850’), 1870 mit der Copley Medal (‘For his experimental researches on the dynamical theory of heat’) auszeichnete.
Drei Mal wurde ihm die Ehrendoktorwürde verliehen: 1857 vom Trinity College Dublin (LL.D), 1860 von der University of Oxford (DCL) und 1871 von der University of Edinburgh (LL.D).