martes, 28 de abril de 2015

JAMES PRESCOTT JOULE




         Joule era hijo de un opulento cervecero, lo que significaba que tenía medios para dedicarse a una vida de investigación. De joven gozó de poca salud, por ello pudo retirarse a sus libros y estudios. Uno de sus maestros fue Dalton.
         Joule fue casi un fanático en lo tocante a medidas y aun en su luna de miel tuvo tiempo para inventar un termómetro especial, para medir la temperatura del agua en la parte superior e inferior de una pintoresca catarata que iban a visitar.
         Antes de los veinte años publicaba trabajos en los que daba a conocer las temperaturas en relación con los motores eléctricos. Hacia 1840, había logrado la fórmula que gobierna la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica (el calor producido es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia del circuito).
         Prosiguió con sus medidas, dedicando una década a medir el calor producido por todos los procesos que podía imaginar. Agitó agua y mercurio con paletas. Pasó agua a través de pequeños agujeros para medir el calentamiento por fricción. Dilató y contrajo gases. Estudio las medidas de las temperaturas del agua en la catarata, la de su luna de miel, confiaba en la creencia de la energía del agua al caer debía convertirse en calor y que la temperatura del fondo de la caída de agua debía de ser más alta que en la parte superior.
         En todos esos casos calculó la cantidad de trabajo que había intervenido en el sistema y la cantidad de calor que había producido, y halló como Rumford había mantenido medio siglo antes, que las dos cosas, calor y trabajo, estaban íntimamente relacionadas.
         Una cantidad particular de trabajo siempre producía una cantidad particular de calor. En efecto, 41.800.000 ergios de trabajo, producían una caloría de calor. A esto se le llamó, y se le sigue llamando, <equivalente mecánico del calor>.
         La primera descripción completa de Joule de sus experimentos y conclusiones apareció en 1847, que no suscitaron un especial interés en los científicos de su tiempo. Este hecho se debe en parte, una gran parte, a que Joule era un cervecero y no un académico (nunca recibió un puesto de profesor, salvo al final que si se le propuso). También influía el hecho de que en muchos casos sus conclusiones se basaban en pequeñas diferencias de temperatura, de modo que sus experimentos eran muy poco espectaculares.
         El artículo original de su descubrimiento fue rechazado por varios periódicos expertos en la materia, se vio obligado a presentarlo en una conferencia pública en Manchester y entonces consiguió que, de mala gana, le publicase su conferencia un periódico local. Unos cuantos meses más tarde se las arregló para presentarla ante una reunión científica poco propicia, y su presencia hubiera pasado inadvertida si no hubiera sido por un joven veinteañero presente en el auditorio. Este joven era William Thomson, conocido más adelante por Lord Kelvin. Sus comentarios sobre los trabajos de Joule fueron lo bastante agudos y lógicos para levantar interés y, aun más, entusiasmo. El renombre de Joule estaba hecho.
         Joule no fue el primero en determinar el equivalente mecánico del calor. Rumford lo había intentado, pero le había salido un valor demasiado alto. Mayer consiguió un valor bastante aceptable, antes de que lo hiciera Joule, pero fue éste el que lo hizo más exactamente (para su época) y respaldaba su cifra con una gran variedad de cuidadosos datos experimentales y fue quien (con la ayuda de Thomson) fijó la atención del mundo de la ciencia. Por eso en él recae la fama y en su honor una unidad de trabajo igual a 10.000.000 ergios se llama julio.
         La determinación del equivalente mecánico del calor condujo a la evolución de una ley fundamental hasta aquellos tiempos. Desde el tiempo de Newton y aun de Galileo se entendía que la energía de un objeto lanzado hacia arriba, no disminuía cuando el movimiento se hacía más lento. Sin duda ese movimiento invariablemente disminuía bajo la influencia de la gravedad, pero como el objeto perdía energía cinética (energía del movimiento) ganaba energía potencial (energía de la posición). Cuando el objeto alcanzaba la máxima altura, estaba fijo momentáneamente y no poseía energía cinética, pero tenía una gran energía potencial. Cuando empezaba a caer la energía potencial iba disminuyendo y empezaba a aumentar la cinética. Cuando llegaba al suelo volvía a tener toda la energía cinética con la que se le había lanzado hacia arriba.
         Teóricamente, la energía potencial y cinética se intercambiaban sin pérdida, a esto se le llamaba conservación de la energía (más adelante se acotaría a energía mecánica) y hasta esa época tenía el rango de ley. En realidad, la conservación no era tan perfecta, alguna energía se perdía por la resistencia del aire y por la fricción.
         Sin embargo, si el calor se reconoce como una forma de energía, y si se comprueba que la perdida de energía mecánica por fricción o rozamiento o la perdida de cualquier otro tipo de energía queda compensada exactamente por la ganancia de calor, entonces se puede asegurar la conservación de la energía total (sea cual sea su forma) en un sistema dado.
         Esta es la ley de la conservación de la energía que establece que la energía ni se crea ni se destruye (de la nada), sencillamente se transforma de un tipo a otro. Esta es una de las generalizaciones más importantes en la historia de la ciencia. Es tan importante en unión con el estudio de la acción recíproca del calor y del trabajo (la termodinámica, ciencia creada por Carnot con dos décadas de anterioridad) que frecuentemente se llama la primera ley de la termodinámica.
         Con posterioridad a la época de Joule, esta ley se ha tambaleado en diversas ocasiones, fundamentalmente con el descubrimiento de la radioactividad y la emisión radioactiva de electrones, pero siempre y gracias a los trabajos de Einstein y Pauli la primera ley se ha reestablecido más firmemente que nunca, al menos hasta hoy en día.
         Aunque Joule reconoció el principio de la conservación de la energía, y lo mismo hizo Mayer antes que él, el primero en presentarla como una generalización categórica fue Helmholtz y es generalmente éste quien lleva la gloria de su descubrimiento.
         Durante los años de 1850, Joule siguió colaborando con su joven amigo Thomson. Juntos los dos demostraron que cuando se permite a un gas dilatarse libremente, su temperatura desciende ligeramente. Esta observación establecida en 1862 se llama efecto de Joule-Thomson y se toma como evidencia para el hecho de que las moléculas de los gases tienen una atracción de poca importancia para con las que las rodean. Es, al vencer esta atracción, al separarse por dilatación que las moléculas individuales pierden energía y por tanto temperatura. Esto resultó ser una consideración muy importante para la obtención de temperaturas extremadamente bajas, hacia finales del siglo XIX. Científicos como Dewar tomaron gran ventaja de ella.
         Joule también descubrió el fenómeno de magnetostricción por el cual una barra de hierro cambia algo de longitud cuando se magnetiza. Esto parecía una cuestión puramente académica en aquel tiempo, pero en tiempos modernos este resultado se utiliza en conexión con la formación de ondas ultrasónicas.
         Joule fue elegido para la Royal Society en 1850, recibió la medalla Copley en 1866 y fue presidente de la Asociación Británica para el fomento de la ciencia entre 1872 y 1887.
         Al final, que permaneciese como cervecero toda su vida y que no llegara a ser profesor nunca, parece ser que no importó a la democracia intelectual del mundo de la ciencia.


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