James Joule

De ontdekker van de eerste hoofdwet van de thermodynamica was bierbrouwer van beroep

James Joule 1818-1920

Tot diep in de 19de eeuw begrepen wetenschappers nog niet goed wat warmte precies was. Algemeen werd aangenomen dat warmte een soort tijdelijke vloeistof – `calorique’ of warmtestof genaamd – was, die werd vastgehouden door of vrijkwam uit materie. Geleidelijk begreep men echter dat warmte een vorm van energie was, uitgedrukt als de beweging van moleculen. Dit is in belangrijke mate het werk van de Engelsman James Joule, die veel bijdroeg aan de totstandkoming van de wetenschap van de thermodynamica.

James Joule de bierbrouwer

Joule was eigenlijk bierbrouwer van beroep en geen fulltime wetenschapper. Hij bleef zijn hele leven verbonden aan de brouwerij van zijn welgestelde vader, had privé-onderwijs gehad, ging niet naar de universiteit en vervulde zijn hele leven geen universitaire positie. Zijn ontdekkingen zijn daardoor des te opmerkelijker. Joules interesse voor het verschijnsel warmte had zijn vader ertoe gebracht om in de buurt van de brouwerij een laboratorium voor hem te bouwen. Het onderwerp zou zijn onderzoekingen de hele rest van zijn leven beheersen.

Warmte begrijpen

Joule begon met het onderzoeken van de warmte die vrijkomt als elektriciteit door een metaaldraad stroomt. In 1840 leidde dit tot zijn eerste grote prestatie, de formulering van de ‘Wet van Joule’, die een wiskundig verband legt tussen een elektrische stroom en de weerstand in de draad waardoor deze stroomt, uitgedrukt in de hoeveelheid warmte die wordt afgegeven. Dit verband betekende ook dat de ene vorm van energie omgezet kon worden in een andere: bijvoorbeeld elektrische energie in warmte.

Warmte energie of arbeid

In de tien volgende jaren toonde Joule aan dat warmte kon worden geproduceerd door allerlei soorten energie of arbeid, waaronder mechanische energie. Hij bewees dit door een experiment waarbij een schoepenrad in water werd rondgedraaid. Hierbij bleek dat de temperatuur van het water steeg als gevolg van deze arbeid. Een van Joules belangrijkste talenten was dat hij in staat was de equivalentie van verschillende soorten energie te kwantificeren. Hij gebruikte zijn schoepenradexperiment om te berekenen hoeveel mechanische energie nodig was om de watertemperatuur met 1 °F te doen stijgen. Hierna formuleerde hij een waarde voor de hoeveelheid arbeid die nodig was voor de productie van één warmte-eenheid. In 1849 vatte hij zijn resultaten samen in het artikel On the Mechanical Equivalent of Heat, dat veel bijval kreeg.

Warmte in gassen

Vervolgens bestudeerde Joule de rol van warmte en beweging in gassen. In 1848 schatte hij als eerste de snelheid waarmee gasmoleculen bewegen. Vanaf 1852 tot het einde van het decennium vervolgde hij – samen met William Thomson Kelvin (later bekend als baron Kelvin, 1824-1907) – zijn onderzoekingen op dit terrein en beschreef hij wat later bekend kwam te staan als het Joule-Thomson-effect. Dit houdt in dat de temperatuur van de meeste gassen daalt bij expansie, als gevolg van de arbeid die nodig is om de moleculen uit elkaar te doen gaan. Deze ontdekking maakte de diepvriesindustrie mogelijk.

De wet van Joule

Naast de eerste hoofdwet van de thermodynamica (zie hieronder) ontdekte Joule ook de wet die naar hem is genoemd. Deze beschrijft de omzetting van elektrische energie in warmte en zegt dat de warmte (Q) geproduceerd als een elektrische stroom (I) een tijd (t) door een weerstand (R) loopt, wordt gegeven door Q=I²Rt. De joule, de standaardeenheid van energie of arbeid, is naar hem genoemd.

De eerste hoofdwet van de thermodynamica

Joules belangrijkste ontdekking was het resultaat van de experimenten die hij in de jaren na 1840 deed. Hij formuleerde wat later bekend zou komen te staan als de eerste hoofdwet van de thermodynamica: het principe van het behoud van energie. Dit principe volgde uit het feit dat de ene soort energie kon worden omgezet in een andere. Joule stelde dat de natuurlijke wereld een bepaalde, vaste hoeveelheid energie bezat, die nooit minder of meer kon worden, maar alleen van vorm kon veranderen. Julius Robert von Mayer (1814-1878) en Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) kwamen onafhankelijk van Joule en van elkaar rond dezelfde tijd tot dezelfde conclusie. De wet wordt daarom ook aan hen toegeschreven.

1840 Joule ontdekt de later naar hem genoemde Wet van Joule.
1840-1850 Stelt het principe van het behoud van energie vast.
1849 On the Mechanical Equivalent of Heat gepubliceerd. 1852-1859 Onderzoekt samen met William Thomson (de latere baron Kelvin) het Joule-Thomson-effect.