James Prescott Joule

JAMES PRESCOTT JOULE lebte in einer Zeit, in der sich die Naturwissenschaften und die Technik stürmisch entwickelten, grundlegende Gesetze wie der Energieerhaltungssatz oder das Induktionsgesetz gefunden wurden und zahlreiche Erfindungen (Glühlampe, Dynamomaschine, Phonograph) gemacht wurden. Dafür stehen die Namen solcher Zeitgenossen wie HERMANN VON HELMHOLTZ (1821-1894), WERNER VON SIEMENS (1816-1892), THOMAS ALVA EDISON (1847-1931), GEORG SIMON OHM, MICHAEL FARADAY (1791-1867) oder JULIUS ROBERT VON MAYER (1814-1878).

Das 19. Jahrhundert war zugleich ein Jahrhundert großer gesellschaftlicher Veränderungen mit der Herausbildung verschiedener Nationalstaaten und der Durchsetzung bürgerlicher Ideen. Die gesamte wirtschaftliche Entwicklung ist charakterisiert durch die Herausbildung der kapitalistischen Produktionsweise.

Sein Leben

Über das Leben und die Biografie von JAMES PRESCOTT JOULE ist relativ wenig bekannt.

Er wurde am 24.12.1818 in dem kleinen Ort Salford bei Manchester geboren. Bereits in jungen Jahren trat er in die elterliche Brauerei ein. Neben dieser Tätigkeit nahm er Unterricht in Mathematik und Naturwissenschaften und beschäftigte sich mit physikalischen Problemen.

1834 studierte er bei dem berühmten Chemiker JOHN DALTON (1766-1844) Chemie. 1837 richtete er sich ein kleines Labor ein, das von verschiedenen wissenschaftlichen Vereinen finanziert wurde. 1847 begann seine Zusammenarbeit mit LORD KELVIN (1824-1907).
Als er in seinen späten Jahren in finanzielle Schwierigkeiten geriet, gewährte ihm die englische Königin VICTORIA eine Pension. JOULE starb 1889 in Sale in der Nähe von London.

Seine wissenschaftlichen Leistungen

Bei seinen wissenschaftlichen Untersuchungen ging JOULE meist von praktischen Problemen aus. So beschäftigte ihn die Frage, ob die neu erfundenen Elektromotoren als Antriebsmaschinen praktisch und wirtschaftlich nutzbar sind. Er kam zu dem Ergebnis, dass dies nicht der Fall sein kann, weil die Energie des Motors durch den Verbrauch des sehr teuren Zinks in der Batterie entsteht. Das brachte ihn auf die Idee, den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit, Wärme und elektrischer Arbeit genauer zu untersuchen, auch quantitativ.
Zur damaligen Zeit gab es noch keinen einheitlichen Energiebegriff. Die Wärme wurde in Kalorien (cal) und mechanische Arbeit in Kilopondmeter (kpm) gemessen. Als erstes Ergebnis seiner Experimente entdeckte er 1840, also im Alter von 21 Jahren, das Gesetz über die Stromwärme:

Die von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugte Wärme Q ist proportional dem Quadrat der Stromstärke I $(Q~I^2)$.

Ursprüngliches Ziel dieser Untersuchung war die Frage, ob es sich um eine echte Erzeugung von Wärme handelt oder ob an anderen Stellen der Versuchsanordnung eine Abkühlung auftritt. Als JOULE statt einer Batterie die 1832 von seinem Landsmann MICHAEL FARADAY entdeckte elektromagnetische Induktion zur Spannungserzeugung für seine Wärmeexperimente nutzte, wurde ihm schnell klar, dass er hier trotz des Umweges über den elektrischen Strom ein einfaches Beispiel für die Umwandlung mechanischer Arbeit in Wärme vor sich hatte. Alles an der Anordnung war überschaubar, die Messungen einfach durchführbar. Damit bestimmte JOULE erstmalig 1843 das mechanische Wärmeäquivalent, also das Verhältnis der aufgewendeten mechanischen Arbeit zur dadurch erzeugten Wärme. Diese physikalische Größe hat er in den folgenden Jahren auf sehr unterschiedlichen Wegen immer wieder bestimmt. Stets ergab sich der Wert (im Rahmen von Messfehlern):

1 kcal $\triangleq$427 kpm

Mit diesen Untersuchungen wurden zugleich entscheidende Vorarbeiten für die Formulierung des allgemeinen Energieerhaltungssatzes geleistet, der besagt, dass Energie weder entstehen noch verloren gehen kann, sondern nur von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt oder von einem Körper auf andere Körper übertragen werden kann.
Später, nachdem der Satz von der Erhaltung der Energie allgemein anerkannt war, wurde das „entspricht“-Zeichen ($\triangleq$) durch das Gleichheitszeichen ersetzt. Heute haben wir Schwierigkeiten, das damalige Problem überhaupt zu verstehen, messen wir doch Energie heute nur noch in einer Einheit: Joule (J). Damit wurden die wissenschaftlichen Leistungen von JOULE gewürdigt.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts beschäftigten sich viele Naturwissenschaftler mit dem Problem des Zusammenhanges zwischen Wärme und Arbeit, überhaupt zwischen verschiedenen Bereichen der Natur. Dazu gehören neben JOULE z. B. JULIUS ROBERT VON MAYER, HERMANN VON HELMHOLTZ und BENJAMIN THOMPSON (GRAF RUMFORD) (1753-1814).

Vier Gründe lassen sich dafür angeben, dass zu dieser Zeit so viele Forscher die Grundideen des Energieerhaltungssatzes und damit auch des 1. Hauptsatzes der Wärmelehre als einer Form des Energieerhaltungssatzes fanden:

• Die Entdeckung der Verbindung zwischen verschiedenen Gebieten der Physik;
• die Tendenz, alles auf die Mechanik zurückzuführen als Fortführung der Ideen NEWTONs;
• die (nachträgliche) wissenschaftliche Analyse der Dampfmaschine;
• die Suche nach einem einheitlichen Grundprinzip der Natur.