James Prescott Joule (1818–1889), İngiliz fizik bilgini, termodinamiğin gelişiminde önemli bir rol oynadı. Joule, enerjinin çeşitli formları arasındaki ilişkileri keşfetmek için önemli deneyler yaptı ve çalışmaları, termodinamiğin temel prensiplerinin oluşturulmasına katkıda bulundu.
Joule'un en ünlü çalışmalarından biri, mekanik işin ısıya dönüşümü üzerine olan deneyleriydi. 1840'ların ortalarında, Joule, bir suyun sıcaklığını ölçmek için bir çarka bağlı bir ağırlık kaldıran bir mekanizma kullanarak mekanik işin ısıya nasıl dönüştüğünü gösterdi. Bu deneyler, mekanik enerjinin ısı enerjisine dönüşümünün sabit bir oranla gerçekleştiğini gösterdi ve termodinamiğin ilk yasasını destekledi.
24 Aralık 1818’de Salford, Lancashire'da doğan ve 11 Ekim 1889’da Sale, Cheshire'da hayatını kaybeden James Prescott Joule, varlıklı bir ailenin çocuğuydu ve Salford'daki bir bira fabrikasında büyüdü. Evde aldığı özel eğitim sonrasında, 1834'ten 1837’ye kadar Manchester yakınlarındaki Dalton'dan matematik, fizik ve kimya dersleri aldı. Ailesinin işine katılmak istemeyen Joule, başka bir meslek de seçmedi ve bilimsel araştırmalara adadı hayatını. 1847'de evlendiği eşi yedi yıl sonra vefat edince Joule daha da içine kapanarak laboratuvarına daldı. Tüm laboratuvar masraflarını kendi karşılayarak yaşamının sonuna doğru maddi sıkıntılar yaşadı. Tasarladığı deneyleri tamamlamak için çeşitli bilimsel kuruluşlardan ve devletten mali destek aldıysa da, 60 yaşına geldiğinde zihinsel yetileri ve belleği önemli ölçüde azalmıştı. Yeni araştırmalar yapamadan, uzun süren bir hastalığın ardından öldü. 1850'de Royal Society üyesi seçilen Joule, 1866’da Copley madalyası ile ödüllendirildi. Bilimsel kariyerine amatörce bir hevesle başlayan Joule, özellikle hassas ölçümleri ve titizliği ile dikkat çekti ve kısa sürede İngiltere'nin önde gelen bilim insanları arasına girdi. Özellikle 1837’den 1847’ye kadar olan on yıllık süreç, termodinamiğin gelişiminde önemli bir rol oynadı. Ancak 1850'den sonra, matematik bilgisinin yetersizliği nedeniyle, teorik sonuçlara ulaşmakta zorlandı ve bu nedenle bilim dünyasına yeni katkılar sağlayamadı.
Sanayi Devrimi'nin yaşandığı 19. yüzyıl İngiltere'sinde, buhar makineleri ve elektromıknatıslar günlük yaşamın ayrılmaz bir parçası haline geldi ve bu da araştırmacıların enerji ve güç arasındaki ilişkiyi incelemelerine neden oldu. Bu sorunu ele almak için elektromıknatısları incelemeye başlayan Joule, çalışmalarının başlangıcında kimyasal, mekanik ve ısı enerjilerinin benzer olduğu kavramından oldukça uzaktı. Aslında, elektromıknatısların sonsuz bir güç kaynağı olabileceğini düşünüyordu. Bu düşünceyi destekleyen bir sebep, mıknatısların birbirini çekme gücünün akımın karesiyle orantılı olmasıydı, akımı sağlayan pilin gücünün ise doğrudan akımla orantılı olmasıydı.
Ancak kısa bir süre sonra, karşı indükleme etkisinin verimi düşürdüğünü ve akımın gücünün gerçekte akımın karesiyle orantılı olduğunu fark etti. Bu son kural bugün Joule'ün adıyla anılmaktadır. Bu çalışmaların sonucunda, elektromanyetik makinelerde verimliliğin, o günün buhar makinelerine kıyasla daha düşük olduğu sonucuna vardı.
Isının mekanik eşdeğeri
Güç ile akımın karesi arasındaki ilişkiyi keşfetmek, Joule'ü elektrik ile ısı arasındaki ilişkiyi daha yakından incelemeye yöneltti. 1841'den sonra, elektrik akımının üretimi ve iletimi sırasında ortaya çıkan tüm sıcaklık etkilerini gözlemleyen Joule, ısının kimyasal enerjiyi taşıyan ve dönüştüren bir etken olduğuna inandı. Isı üretimi ile bu üretimden kaynaklanan kimyasal değişikliğin eşdeğerli olduğunu gördü. Bu görüşünü deneysel olarak doğrulamak amacıyla, mekanik etkilerin de doğrudan doğruya ısı ile taşındığını kanıtlamaya çalıştı.
Öncelikle, suda dönen bir elektromıknatısın suyu ne kadar ısıttığını ölçtü. Daha sonra, bir kılcal borudan zorlanarak geçen suyun ısınma derecesini, ardından sıkıştırılan havanın ısınma derecesini, son olarak da belirli bir yükseklikten düşen bir ağırlığın çevirdiği bir tokmakla suyun kaç derece ısındığını ölçtü. Bu dört ayrı deney, ısının mekanik enerjiyle eşdeğerli olduğunu ortaya koydu.
Joule-Thomson olayı
Joule'ün en önemli buluşu olan ısının mekanik eşdeğerliliği, ilk kez Manchester'da düzenlenen bir konferansta kamuoyuna duyuruldu ve daha sonra konferansın özeti bir günlük gazetede yayımlandı. O sıralarda 22 yaşında olan ve bu çalışmanın önemini hemen kavrayan William Thomson (Lord Kelvin), deney yeteneğine güvendiği Joule ile işbirliği yaparak ve yüksek duyarlık gerektiren ölçümleri ona bırakarak termodinamik kuramını geliştirmek üzere çalışmalarına başladı.
İş üretmeksizin genleşmeye zorlanan ideal gazlarda sıcaklığın değişmediğini Gay-Lussac daha önce göstermişti. Gerçek gazların ise, normal sıcaklık ve basınç altında böyle bir genleşmeye uğradığında, gaz atomlarının çekim gücüne karşı yapılan iş nedeniyle soğuyacağını öngören Thomson, bu olayın gözleminde de Joule'ün deney yeteneğine başvurdu. 1851'de, Mariotte yasasını moleküllerin hareketiyle yorumlayan Joule böylece moleküllerin ortalama hızını ölçmüş, bir yıl sonra da gözenekli bir zardan geçerek yavaş yavaş genişleyen gerçek bir gazın soğuduğunu göstermişti. "Joule-Thomson olayı" olarak bilinen bu olay, çağdaş soğutma tekniklerinin çıkış noktasıdır.
Joule'ün deneysel çalışmaları, hem termodinamiğin hem de düşük sıcaklıklar fiziğinin doğmasına yol açmıştır.
Başlıca Yapıtları:
"The Scientific Papers of James Prescott Joule", 2 cilt, 1884-1887, ("J.P. Joule'ün Bilimsel İncelemeleri")