James Prescott Joule

Grazie a "vacanze biografiche" potrete capire cosa si prova a essere qualcun altro!

VACANZE BIOGRAFICHE

JAMES PRESCOTT JOULE

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I GENITORI

BIRRA E NON SOLO...

Benjamin Joule, padre di James Prescott Joule

Della madre di Joule non sappiamo quasi niente, mentre del padre sappiamo che già a quindici anni lavorava per la William Joule and sons, ma a quell’età suo padre morì. Successivamente anche tutti i suoi fratelli e sorelle morirono, tutti senza figli. Di conseguenza l’attività di famiglia passò a lui rendendolo il proprietario del pub (producendo soprattutto birra).

A trent’anni Benjamin sposò la diciannovenne Alice Prescott e subito misero su famiglia. Infatti non passarono neanche quattro anni che nacquero i loro primi due figli: Benjamin Jr e James. Poco dopo si unirono alla famiglia anche Alice e Mary, e infine il loro ultimo figlio John. Alice morì nel 20 dicembre del 1836, mentre Benjamin nel 1858.

simbolo della "William Joule and sons"

John Dalton, chimico e fisico inglese

GLI STUDI

LA REAZIONE A UN CHIMICO

James Prescott Joule

Il giovane Joule era un bambino delicato e non fu mandato a scuola. Inizialmente fu educato dalla sorellastra di sua madre, ma in seguito fu istruito a casa di suo padre a Broomhill, da tutori fino ai suoi quindici anni, quando iniziò a lavorare nella birreria che, con il peggioramento della salute di suo padre, passò interamente nelle mani di suo fratello Benjamin e di lui stesso.

Joule ottenne la sua prima istruzione in scienze fisiche da Dalton, al quale suo padre mandò i due fratelli per imparare la chimica. Dalton, uno dei chimici più illustri di ogni epoca e paese, era allora presidente della Manchester Literary and Philosophical Society, e viveva e riceveva gli alunni nelle stanze della casa della Società. L'istruzione di Dalton ai due giovani iniziò con l'aritmetica, l'algebra e la geometria. Insegnò loro la filosofia naturale, e poi, ma solo per un breve periodo prima che la sua salute cedette, nel 1837, la chimica dal suo New System of Chemical Philosophy. Il suo insegnamento dovette avere una grande influenza sui suoi allievi. Infatti troviamo Joule all'opera fin dall'inizio sulla costituzione molecolare dei gas, seguendo le orme del suo illustre maestro, le cui ricerche furono tra le più importanti dei suoi tempi.

LE PRIME RICERCHE

FERMI!! NON HO FINITO

PICCOLI SCIENZIATI CRESCONO

Sotto Dalton, Joule conobbe per la prima volta l'apparato fisico; e l'interesse suscitato nella sua mente cominciò ben presto a produrre frutti. Quasi immediatamente iniziò a sperimentare per proprio conto. Ottenuta allo scopo una stanza nella casa di suo padre, iniziò costruendo una macchina elettrica a cilindro in un modo molto primitivo. Ampliando la sua scorta di apparecchi, principalmente grazie al lavoro delle sue stesse mani, entrò presto nei ranghi come ricercatore, e i documenti originali si susseguirono in rapida successione. L'elenco della Royal Society ora contiene i titoli di novantasette articoli dovuti a Joule, esclusi oltre venti articoli molto importanti che descrivono in dettaglio le ricerche da lui intraprese insieme a Thomson, con Lyon Playfair e con Scoresby.

William Thomson, Barone di Kelvin

Info

Le prime ricerche di Joule furono nel campo del magnetismo. Nel 1838, all'età di diciannove anni, costruì un motore elettromagnetico, che descrisse negli "Annali dell'elettricità" di Sturgeon del gennaio di quell'anno. Nello stesso anno e nei tre anni successivi costruì altre macchine elettromagnetiche ed elettromagneti di nuove forme; e sperimentando il nuovo apparato ottenne risultati di grande importanza nella teoria dell'elettromagnetismo.

Nel 1840 scoprì e determinò il valore del limite alla magnetizzazione trasmissibile al ferro dolce mediante la corrente elettrica; dimostrando, nel caso di un elettromagnete che sostiene il peso, che quando la corrente eccitante viene resa sempre più forte, il potere di sostegno tende ad un certo limite definito, che, secondo la sua stima, ammonta a circa 140 libbre per pollice quadrato di una delle superfici attrattive. Ha studiato i valori relativi dei nuclei di ferro solido per la macchina elettromagnetica, rispetto ai fasci di filo di ferro; e, applicando i principi che aveva scoperto, procedette alla costruzione di elettromagneti con potere di sollevamento molto maggiore di quelli realizzati in precedenza, mentre studiò anche i metodi per modificare la distribuzione della forza nel campo magnetico.

LA NECESSITÀ DI UN'UNITÀ DI MISURA

QUANDO CI VOULE, CI VOULE

Nell'iniziare queste ricerche si trovò di fronte, come ci racconta, "alla difficoltà, se non all'impossibilità, di comprendere gli esperimenti e di confrontarli tra loro, che deriva in generale dalle descrizioni incomplete degli apparecchi e dall'arbitraria e numeri vaghi che vengono utilizzati per caratterizzare le correnti elettriche. Tale pratica potrebbe essere tollerata agli albori della scienza; ma nel suo attuale stato di avanzamento sono imperativamente richieste maggiore precisione e correttezza. Ho quindi deciso che, da parte mia, abbandonerò i miei vecchi numeri quantitativi ed esprimerò i miei risultati sulla base di un'unità che sarà allo stesso tempo scientifica e conveniente". La scoperta da parte di Faraday della legge degli equivalenti elettrochimici lo aveva indotto a proporre il voltametro come misuratore di correnti elettriche, ma il sistema proposto non era stato utilizzato nelle ricerche di nessun elettricista.. Joule, rendendosi conto per la prima volta dell'importanza di disporre di un sistema di misura elettrica che rendesse confrontabili tra loro risultati sperimentali ottenuti in tempi diversi e in varie circostanze, e percependo allo stesso tempo i vantaggi di un sistema di misura elettrica dipendente da, o comunque paragonabile all'azione chimica che produceva la corrente elettrica, adottò come quantità unitaria di elettricità la quantità necessaria a scomporre nove granelli d'acqua, essendo 9 il peso atomico dell'acqua, secondo la nomenclatura chimica allora in uso.

voltametro

LA TERMODINAMICA

UN AMBITO DI STUDI DEL TUTTO NUOVO

Fu inoltre nel 1840 che, dopo aver sperimentato miglioramenti negli apparecchi voltaici, rivolse la sua attenzione al "calore sviluppato dai conduttori metallici di elettricità e nelle celle di una batteria durante l'elettrolisi". In questo articolo, e in quelli che seguirono nel 1841 e nel 1842, gettò le basi di una nuova branca della scienza fisica allora totalmente sconosciuta, la termodinamica elettrica e chimica. Riguardo al calore sviluppato da un conduttore metallico percorso da corrente elettrica, stabilì quella che già si supponeva fosse la legge, e cioè che "la quantità di calore da esso sviluppato in un dato tempo è sempre proporzionale alla resistenza che presenta, qualunque sia la lunghezza, lo spessore, la forma o la specie del conduttore metallico", mentre ottenne la legge, allora sconosciuta, che il calore sviluppato è proporzionale al "quadrato" della quantità di elettricità che passa in un dato tempo.

Aveva già apportato e descritto miglioramenti molto importanti nella costruzione dei galvanometri (strumento che misura l’intensità delle correnti elettriche), e graduò il suo tangente per corrispondere al sistema di misurazione elettrica che aveva adottato. Le correnti elettriche usate nei suoi esperimenti furono da allora in poi misurate sul nuovo sistema; ed i numeri forniti negli scritti di Joule dal 1840 in poi sono facilmente riducibili al moderno sistema assoluto di misurazioni elettriche, nella cui costruzione e introduzione generale egli stesso prese una parte così importante.

DALL'ENERGIA AL CALORE

BINARIO 18, POSTO 43

Procedendo fin qui, continuò lo stesso ragionamento ed esperimento finché, nel gennaio 1843, poté annunciare che la macchina magnetoelettrica permette di convertire la potenza meccanica in calore. La maggior parte del suo tempo libero nella prima parte dell'anno 1843 fu dedicato a fare esperimenti necessari per la scoperta delle leggi dello sviluppo del calore mediante magnetoelettricità e per la determinazione definitiva del valore meccanico del calore.

Già nel 1840 speculava sulla trasformazione dell'energia chimica in calore. Come sottolineò nell'ultimo articolo citato e in un breve estratto nei "Proceedings of the Royal Society" del dicembre 1840. Negli articoli presentati nel 1841 e nel 1842, egli spinse ulteriormente le sue ricerche e mostrò che la somma del calore prodotto in tutte le parti del circuito durante l'azione voltaica è proporzionale all'azione chimica che avviene nella pila voltaica e, ancora, che le quantità di calore che si sviluppa per la combustione degli equivalenti dei corpi sono proporzionali all'intensità delle loro affinità per l'ossigeno.

macchina magnetoelettronica

EQUIVALENTE DINAMICO DEL CALORE

ALTRE INNOVAZIONI

Alla riunione della British Association, il 21 agosto 1843, lesse il suo articolo sugli effetti calorifici della magnetoelettricità e sul valore meccanico del calore. L'articolo dà conto di una serie mirabile di esperimenti, dimostrando che il calore è generato (non semplicemente "trasferito" da qualche fonte) dalla macchina magnetoelettrica. La ricerca è stata portata avanti allo scopo di verificare se esiste un rapporto costante tra il calore generato e la potenza meccanica utilizzata nella sua produzione. Come risultato di una serie di esperimenti magnetoelettrici, scoprì che 838 piedi-libbre sono l'equivalente meccanico della quantità di calore capace di aumentare la temperatura di una libbra d'acqua di un grado della scala Fahrenheit. Il documento contiene le seguenti frasi:

"Saremo obbligati ad ammettere che il conte Rumford aveva ragione nell'attribuire il calore sviluppato dal noioso cannone all'attrito, e non (in misura considerevole) ad alcun cambiamento nella capacità del metallo. Recentemente ho dimostrato sperimentalmente che il calore è evoluto dal passaggio dell'acqua attraverso tubi stretti. Il mio apparato consisteva in un pistone forato da una serie di piccoli fori, funzionante in un vaso di vetro cilindrico contenente circa 7 libbre d'acqua. Ottenevo così un grado di calore per libbra d'acqua da una forza meccanica capace di sollevare circa 770 libbre all'altezza di un piede, risultato che potrà essere fortemente confermato dalle nostre deduzioni precedenti. Non perderò tempo nel ripetere ed estendere questi esperimenti, essendo soddisfatto che i grandi agenti della natura sono, per ordine del Creatore, "indistruttibili" e che ovunque venga spesa forza meccanica, si ottiene sempre un esatto equivalente di calore.”

I TERMOMETRI

RICERCHE SCOTTANTI...

Non si deve supporre che la scoperta di Joule e i risultati della sua ricerca abbiano suscitato immediata attenzione. Il problema lo occupò quasi ininterrottamente per molti anni; e nel 1878 fornisce nelle "Transazioni filosofiche" i risultati di una nuova determinazione, secondo la quale la quantità di lavoro necessaria da spendere per aumentare la temperatura di una libbra d'acqua pesata nel vuoto da 60° a 61° Fahrenheit, equivale a 772,55 piedi per libbra di lavoro al livello del mare e alla latitudine di Greenwich.

termometro al mercurio

Vanno però menzionati anche i suoi esperimenti successivi al 1843 sull'equivalente dinamico del calore. In quell'anno suo padre si trasferì da Pendlebury, sul lato sud di Manchester, e costruì per suo figlio un comodo laboratorio vicino alla casa. Fu in questo periodo che sentì l'urgente bisogno di termometri accurati. Joule produsse, con l'assistenza del signor Dancer, costruttore di strumenti di Manchester, i primi termometri inglesi che possedevano la precisione di cui è capace il termometro a mercurio in vetro. Alcuni di essi furono inoltrati al Professor Graham e al Professor Lyon Playfair. La produzione di questi strumenti fu di per sé un contributo importantissimo all'attrezzatura scientifica.

IL 1847

Nel 1847 il Joule era sposato con Amelia, figlia di John Grimes, controllore delle dogane, Liverpool. Sua moglie morì prematuramente (1854), lasciandogli un figlio e una figlia. In quell’anno l’amicizia tra Joule e Thomson crebbe rapidamente. Tra loro si mantenne una fitta corrispondenza e i due amici intrapresero in comune diverse importanti ricerche. La loro prima ricerca congiunta riguardò gli effetti termici subiti dall'aria che scorre attraverso piccole aperture. I risultati di questa indagine forniscono per la prima volta una base sperimentale all'ipotesi assunta senza prova da Mayer come base per una stima della relazione numerica tra quantità di calore e lavoro meccanico, e mostrano che per i gas permanenti l'ipotesi è vera in modo molto approssimativo.

UN ANNO DI AMORI

Successivamente Joule e Thomson intrapresero ricerche più approfondite sugli effetti termici dei fluidi in movimento e sul calore acquisito dai corpi che si muovevano rapidamente nell'aria. Hanno scoperto che il calore generato da un corpo che si muove a una velocità di un miglio al secondo nell'aria è sufficiente a spiegare la sua accensione. Il fenomeno delle stelle cadenti fu spiegato da Joule nel 1847 con il calore sviluppato dai corpi che precipitano nella nostra atmosfera.

UN GENIO UNIVERSALE?

QUANDO HAI TANTI INTERESSI E ALTRETTANTO TEMPO LIBERO...

La fisica molecolare attirò presto l’attenzione di Joule. Ne risultarono vari documenti sull'elettrolisi dei liquidi e sulla costituzione dei gas. Un articolo molto interessante sul calore e la costituzione dei fluidi elastici fu letto davanti alla Società letteraria e filosofica di Manchester nel 1848. Anche il suo contributo alla teoria della velocità del suono nell'aria fu di grande importanza, e si distinse sia per l'acutezza delle sue spiegazioni sulle cause di errore esistenti nel lavoro degli sperimentatori precedenti, sia per l'accuratezza, per quanto era richiesto per lo scopo in questione, dei suoi stessi esperimenti. Con le sue spiegazioni, la teoria dell'argomento fu resa abbastanza completa.

Inoltre scoprì il cambiamento di dimensioni prodotto dalla magnetizzazione del ferro dolce ad opera della corrente. Si spiegava così il rumore particolare che accompagna la magnetizzazione di una sbarra di ferro da parte della corrente, talvolta chiamato "ticchettio magnetico".

Società letteraria e filosofica di Manchester

CONCLUSIONI

LA FINE DI JOULE

Purtroppo Joule non è mai stato un uomo pubblico, e a chiunque chiediate chi era vi saprà soltanto dire: "ma non è quello dei joule?"Ma ha fatto molto di più. Morì l'11 ottobre del 1889 a Sale.

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RITORNO A CASA

JAMES PRESCOTT JOULE

Spero vi siate coduti la vacanza biografica

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