James Joule Y Experimentos, Descubrimientos Y Contexto Social

James Prescott Joule

James Prescott Joule nació el 24 de diciembre de 1818 en Salford, Gran Bretaña. Durante su infancia sufrió una dolorosa enfermedad que aunque logró superar marcó su carácter de por vida. James Joule fue un hombre tímido y retraído. Recibió la enseñanza elemental en su propio hogar, teniendo la fortuna de contar con el famoso químico John Dalton entre sus tutores; 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 Manchester. Fue un gran autodidacta.

Desde muy joven se interesó por la termodinámica, especialmente por las máquinas a vapor. Con la ayuda de Dalton aprendió los principios del método experimental, desarrollando grandes habilidades como experimentador.

Sus primeros trabajos serios en el campo de la Física estuvieron relacionados con la electricidad, en especial con los motores eléctricos, moviéndose después al estudio de los motores a vapor, mucho más económicos en la época. No obstante, supo encontrar la relación entre electricidad y calor con un experimento clásico en la historia de la Física, fundamento de la Ley de la Conservación de la Energía. Joule estudió aspectos relativos al magnetismo, especialmente los relativos a la imantación del hierro.

Mantuvo una fructífera relación científica con William Thomson. Ambos se complementaban extraordinariamente, pues mientras Joule era hábil en el laboratorio Thomson era un teórico brillante. El descubrimiento y explicación del efecto Joule-Thomson (gases en expansión), fundamento de la moderna técnica de refrigeración, fue uno de los resultados de esta colaboración.

En 1840 Joule publicó Producción de calor por la electricidad voltaica, en la que estableció la ley que lleva su nombre y que afirma que el calor originado en un conductor por el paso de la corriente eléctrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de corriente.

En 1843, después de numerosos experimentos, obtuvo el valor numérico del equivalente mecánico del calor, que concluyó que era de 0,424 igual a una caloría, lo que permitía la conversión de las unidades mecánicas y térmicas; este es un valor muy similar al considerado actualmente como de 0,427. De ese modo quedaba firmemente establecida la relación entre calor y trabajo, ya avanzada por Rumford, que sirvió de piedra angular para el posterior desarrollo de la termodinámica estadística. En estos trabajos Joule se basaba en la ley de conservación de la energía, descubierta en 1842.

A pesar de que en 1848 ya había publicado un artículo referente a la teoría cinética de los gases, donde por primera vez se estimaba la velocidad de las moléculas gaseosas, abandonó su línea de investigación y prefirió convertirse en ayudante de William Thomson (Lord Kelvin), y, como fruto de esta colaboración, se llegó al descubrimiento del efecto Joule-Thomson, según el cual es posible enfriar un gas en expansión si se lleva a cabo el trabajo necesario para separar las moléculas del gas. Ello posibilitó posteriormente la licuefacción de los gases y llevó a la ley de la energía interna de un gas perfecto, según la cual la energía interna de un gas perfecto es independiente de su volumen y dependiente de la temperatura.

Joule recibió muchos honores de universidades y sociedades científicas de todo el mundo. Sus Escritos científicos (2 volúmenes) se publicaron en 1885 y 1887 respectivamente.

Murió el 11 de octubre de 1889, en su tierra natal.

Efecto joule

Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.

El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

Maquina de joule

Joule, en 1845, demostró experimentalmente que la energía mecánica en un proceso es equivalente a la cantidad de calor producido. Para ello realizó la experiencia mostrada en el dibujo de abajo. Al caer las dos pesas, hacían girar unas aspas unidas al eje, removiendo el agua contenida en el recipiente (calorímetro).

Al caer los cuerpos de masa m desde una altura h, el trabajo realizado es: W = 2 m • g • h.

El eje se pone en movimiento y las aspas mueven el agua. La cantidad de calor producida se puede calcular midiendo el aumento de temperatura del agua, y sería:

Q= m • ce • (T2 - T1)

Con esta experiencia, Joule demostró que siempre que se realizaba una misma cantidad de trabajo, se obtenía la misma cantidad de calor: W = Q.

La relación entre la cantidad de calor producido y el trabajo realizado es una constante llamada equivalente mecánico del calor.

Si expresamos el calor en calorías y el trabajo en julios: 1 cal = 4,18 J y la relación inversa es: 1 J = 0,24 cal

Durante el siglo XIX se elaboró una impresionante masa de trabajo detallado, sobre las bases puestas por la revolución científica. Al mismo tiempo se iba consiguiendo la integración de las varias ciencias en un gran esquema unitario.

Por otra parte, el progreso de la Física pura se iba relacionando cada vez más íntimamente con el de la tecnología industrial. Otro punto a destacar son los pasos dados para unificar las ciencias físicas durante el siglo XIX.

El descubrimiento de la electricidad dinámica empezó con los descubrimientos

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