James Prescott Joule

James Prescott Joule [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 Maschinenbaus 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.

Weil er seit seiner Kindheit an einer Wirbelsäulenerkrankung litt, und er als anfällig galt, 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. 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). Sein Frau verstarb wenige Monate, nachdem im Alter von knapp drei Wochen der Sohn Henry starb.

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

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.

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.

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 Society und mehrfach (1860/1861, 1868/1869, 1872/1863 und 1878/1879) deren Präsident.

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).

Am 2. Dezember 1867 wurde Joule zum Ehrenmitglied („Honorary Fellow“) der Royal Society of Edinburgh gewählt. 1870 wurde er in die Académie des sciences in Paris, 1874 in die American Academy of Arts and Sciences, 1884 in die Académie royale de Belgique und 1887 in die National Academy of Sciences gewählt.

Joule war und ab 1857 Ehrenmitglied der Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland. Zweimal sollte er den Vorsitz der British Association for the Advancement of Science übernehmen (1872 in Bradford und 1887 in Manchester), doch beide Male hinderte ihn seine schlechte Gesundheit daran.

1880 erhielt er die Albert Medal der Royal Society of Arts („For having established, after most laborious research, the true relation between heat, electricity and mechanical work, thus affording to the engineer a sure guide in the application of science to industrial pursuits“).

Eine Gedenkstelle für Joule befindet sich im Nordchor der Westminster Abbey, eine Statue befindet sich im Rathaus von Manchester (gegenüber von der für Dalton).

Zu seinen Ehren heißt die abgeleitete SI-Einheit der Energie, Arbeit und Wärmemenge „Joule“ (Einheitenzeichen J). Diese Auszeichnung, die nur wenigen Wissenschaftlern zuteilwurde, wurde wenige Wochen vor seinem Tod auf dem zweiten Internationalen Elektrizitätskongress in Paris beschlossen.

Ein Mondkrater und der Asteroid (12759) Joule wurden nach Joule benannt.

Rezeption

Dass Joule keine akademische Ausbildung in den Naturwissenschaften hatte verzögerte die Anerkennung seiner Leistungen.

„Joule ist kein Universitätsphysiker, Joule hat keine universitäre Ausbildung, sondern Joule ist ein klassischer Gentleman, der es zu seiner Aufgabe gemacht hat, sich mit Naturwissenschaft zu beschäftigen. Das ist aber ein Rollenbild, das eigentlich eher in das erste Viertel des 19. und vor allem in das 18. Jahrhundert passt. Wissenschaft ist zu dem Zeitpunkt aber schon sehr viel professionalisierter geworden.“

– Peter Heering: Professor für Physikgeschichte an der Universität Flensburg

Er war „vielleicht der letzte Autodidakt, der einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Wissenschaften geleistet hat.“

Schriften (Auswahl)

Description of an electro-magnetic engine. In: William Sturgeon (Hrsg.): The annals of electricity, magnetism, and chemistry; and guardian of experimental science. Band 2, Sherwood, Gilbert, and Piper, London 1838, S. 122–123 (Digitalisat).
Investigations in magnetism and electro-magnetism. […] In two letters to the editor. In: William Sturgeon (Hrsg.): The annals of electricity, magnetism, and chemistry; and guardian of experimental science. Band 4, Sherwood, Gilbert, and Piper, London 1840, S. 131–135 (Digitalisat).
On electro-magnetic forces. In: William Sturgeon (Hrsg.): The annals of electricity, magnetism, and chemistry; and guardian of experimental science. Band 4, Sherwood, Gilbert, and Piper, London 1840, S. 474–481 (Digitalisat).
On the heat evolved by metallic conductors of electricity, and in the cells of a battery during electrolysis. In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. Band 19, Nr. 124, 1841, S. 260–277 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444108650416).
On a new class of magnetic forces. In: William Sturgeon (Hrsg.): The annals of electricity, magnetism, and chemistry; and guardian of experimental science. Band 8, Sherwood, Gilbert, and Piper, London 1842, S. 219–224 (Digitalisat).
On the production of heat by voltaic electricity. In: Abstracts of the papers printed in the Philosophical transactions of the Royal Society of London. Band 4, 1843, S. 280–281 (Digitalisat, doi:10.1098/rspl.1837.0140, JSTOR:110721).
On the calorific effects of magneto–electricity, and on the mechanical value of heat. In: Notices and abstracts of communications to the British Association for the Advancement of Science, at the Cork meeting, August 1843. London 1844, S. 33–34 (Digitalisat).
On the calorific effects of magneto–electricity, and on the mechanical value of heat. In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. 3. Folge, Band 23, 1843:
- Nr. 152, S. 263–276 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444308644730).
- Nr. 153, S. 347–355 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444308644749).
- Nr. 154, S. 435–443 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444308644766).
On the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars. In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. Band 30, Nr. 199, 1847, S. 76–87 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444708645656) – Zur Magnetostriktion.
- In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. Band 30, Nr. 201, 1847, S. 225–241 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444708645682).
On the mechanical equivalent of heat, as determined by the heat evolved by the friction of fluids. In: Notices and abstracts of communications to the British Association for the Advancement of Science, at the Oxford meeting, June 1847. London 1848 S. 55 (Digitalisat).
- On the mechanical equivalent of heat, as determined by the heat evolved by the friction of fluids. In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. 3. Folge, Band 31, Nr. 207, 1847, S. 173–176 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444708645820).
On the mechanical equivalent of heat. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Band 140, London 1850, S. 61–82 (doi:10.1098/rstl.1850.0004, JSTOR:108427).
On the changes of temperature produced by the rarefaction and condensation of air. In: Abstracts of the papers communicated to the Royal Society of London. Band 5, 1851, S. 517–518 (Digitalisat, doi:10.1098/rspl.1843.0031, JSTOR:110866).
- The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. 3. Folge, Band 26, Nr. 174, 1845, S. 369–383 (Digitalisat, doi:10.1080/14786444508645153).
- Ueber das mechanische Wärme-Aequivalent. In: Annalen der Physik und Chemie. Ergänzungsband 4, Leipzig 1854, S. 610–630 (Digitalisat).
On the thermal effects experienced by air in rushing through small apertures. In: The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. 4. Folge, Band 4, Nr. 28, 1852, S. 481–492 (Digitalisat, doi:10.1080/14786445208647169) – mit William Thomson (Joule-Thomson-Effekt).

Bücher

The scientific papers of James Prescott Joule. 2 Bände, Taylor and Francis, London 1884–1887 (Band 1, Band 2).

Literatur

Isaac Asimov: Biographische Enzyklopädie der Naturwissenschaften und der Technik. Herder, Freiburg / Basel / Wien 1974, ISBN 3-451-16718-2, S. 285–287.
Donald S. L. Cardwell: James Joule. A biography. Manchester University Press, Manchester / New York 1989, ISBN 0-7190-3025-0.
John Forrester: Chemistry and the conservation of energy: The work of James Prescott Joule. In: Studies in History and Philosophy of Science Part A. Band 6, Nr. 4, 1975, S. 273–313 (doi:10.1016/0039-3681(75)90025-4).
Roberto de Andrade Martins: Joule’s 1840 manuscript on the production of heat by voltaic electricity. In: Notes and Records of the Royal Society. Band 76, 2022, S. 117–153 (doi:10.1098/rsnr.2020.0027).
Raffaele Pisano, Paulo Mauricio, Philippe Vincent (Hrsg.): Joule’s Bicentenary History of Science, Foundations and Nature of Science. In: Foundations of Science. The official Journal of the Association for Foundations of Science, Language and Cognition. Band 26, Nr. 3, 2021 (Special Issue) (Digitalisat).
Osborne Reynolds: Memoir of James Prescott Joule (= Memoirs and Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society 4. Folge, Band 6). 1892 (Digitalisat).
L. Rosenfeld: Joule, James Prescott. In: Complete Dictionary of Scientific Biography. Band 7, Charles Scribner’s Sons, 2008, S. 180–182.
Crosbie Smith: Joule, James Prescott (1818–1889). In: Henry Colin Gray Matthew, Brian Harrison (Hrsg.): Oxford Dictionary of National Biography, from the earliest times to the year 2000 (ODNB). Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-861411-X; doi:10.1093/ref:odnb/15139 (Lizenz erforderlich), Stand: 6. Januar 2011.
Peter Volkmann: Technikpioniere: Namensgeber von Einheiten physikalischer Einheiten. VDE Verlag, Berlin / Offenbach 1990, ISBN 3-8007-1563-5, S. 63–67.
John Young: Heat, work and subtle fluids: a commentary on Joule (1850) ‘On the mechanical equivalent of heat’. In: Philosophical transactions. A. Band 373, Nr. 2039, 2015, e20140348 (doi:10.1098/rsta.2014.0348).

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