J
ames Prescott Joule là nhà vật lý người Anh. Ông sinh ngày 24 tháng 12 năm 1818 ở Salford. Cha ông là Benjamin Joule, một người thợ ủ rượu giàu có trên phố New Bailey ở Salford.
Từ nhỏ, Joule được dạy kèm tại nhà cho đến năm 1834, và được gia đình cho đi học cùng anh trai Benjamin tại lớp học của Dalton tổ chức ở Hội Văn chương và Triết học Manchester. Cả hai anh em chỉ được đào tạo đại số và hình học vỏn vẹn hai năm trước khi Dalton bị buộc phải nghỉ hưu vì một cơn đột quỵ. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của Dalton đã tạo nên một ấn tượng lâu bền đối với Joule.
Dưới sự dẫn dắt của John Davy, Joule bị cuốn hút vào khái niệm “dòng điện”. Ông và anh trai đã thử làm thí nghiệm nhiều lần bằng cách kích điện vào nhau.
Sau đó Joule trở thành chủ xưởng rượu và giữ vai trò chủ chốt cho đến khi quyết định bán toàn bộ doanh nghiệp của mình vào năm 1854. Khoa học là sở thích của Joule và ông sớm bắt tay vào xem xét tính khả thi của việc thay thế máy hơi nước trong xưởng rượu bằng động cơ điện do ông sáng chế. Năm 1838, bản phác thảo đầu tiên của ông được trình lên tờ Annals of Electricity, một tập san khoa học.
Việc ông tìm ra định luật về mối tương quan giữa nhiệt năng và cơ năng năm 1840 chẳng gây được ấn tượng đối với Hội đồng Hoàng gia mà ngược lại, Joule đã bị xem thường và bị xem như một kẻ tài tử quê mùa. Khi Sturgeon chuyển đến Manchester, Joule và Sturgeon đã trở thành nhân vật trung tâm trong giới trí thức thành phố. Hai người đã chia sẻ những quan điểm tương đồng rằng khoa học và thuyết thần học có thể và nên được kết hợp với nhau. Joule tiếp tục việc giảng dạy tại Viện bảo tàng Hoàng gia Victoria về Khoa học ứng dụng do Sturgeon quản lí.
James Joule đã dần nhận ra việc đốt 1 pound than đá trong máy hơi nước sẽ hiệu quả hơn gấp 5 lần so với 1 pound kẽm. Ảnh hưởng bởi cách nghĩ của Franz Aepinus, Joule cố gắng giải thích những hiện tượng về dòng điện và từ tính khi xét với những nguyên tử bị bao quanh bởi ê-te nhiệt trong tình trạng dao động.
Tuy vậy, niềm đam mê của Joule lại xuất phát từ một câu hỏi thiết thực rằng một công có thể chiếm bao nhiêu nguyên liệu và điều này đã hướng ông vào những nghiên cứu về khả năng hoán chuyển các dạng năng lượng. Năm 1843, ông đưa ra được những kết quả cho thấy ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ mà ông đã trù liệu năm 1841 chính bởi sự tồn tại của những lớp hơi nóng trong dây dẫn không lan sang những phần khác của thiết bị. Đó là một thử thách với thuyết nhiệt học vốn cho rằng nhiệt không thể được tạo nên hay bị làm cho biến mất. Thuyết nhiệt học đã vượt hẳn những cách nghĩ xưa cũ trong nghiên cứu nhiệt học từ khi nó được Antonie Lavoisier chứng minh năm 1783. Uy tín của Lavoisier và thành công trên thực tế của thuyết nhiệt học dựa trên động cơ nhiệt do Sadi Carnot tìm ra năm 1824 là minh chứng bảo đảm cho Joule. Những người ủng hộ thuyết nhiệt học sẵn sàng làm rõ tính đối xứng của những ảnh hưởng Peltier-Seebeck từ đó có cơ sở để tuyên bố rằng nhiệt và dòng điện có sự chuyển hóa lẫn nhau bằng một quá trình thuận nghịch.
Nhờ hệ thống máy nhiệt của Joule năm 1845, những thí nghiệm và phép đo bổ sung của Joule đã dẫn dắt ông đến việc ước lượng đương lượng nhiệt của công làm tăng nhiệt của một pound nước thêm một độ F khoảng 838 ft•lbf. Ông công bố kết quả này tại cuộc họp của nhóm chuyên trách Hóa học thuộc tổ chức Tiến bộ Khoa học Anh tại Cork năm 1843 và nhận được không gì khác ngoài sự im hơi lặng tiếng. Joule vẫn không nản lòng và bắt tay vào tìm kiếm những chứng minh về mặt cơ học cho ý kiến của mình rằng công có thể chuyển hóa thành nhiệt. Bằng cách cho nước đi qua một xilanh đã đục lỗ, ông có thể đo được những tăng giảm nhiệt độ tinh vi nhất của chất lỏng.
Ông nhận được kết quả đương lượng khoảng 770 ft•lbf/Btu (4.14 J/cal). Sự thật cho thấy giá trị mà ông có từ những phương tiện điện tử hay cơ khí với Joule đều có điểm chung về cường độ, do đó ông buộc phải có bằng chứng thực tế thể hiện sự chuyển hoá từ công thành nhiệt.
Joule phải thử nghiệm đến lần thứ ba. Ông đo lượng nhiệt sinh ra chống lại công nén gas. Ông thu kết quả đương lượng nhiệt là 823 ft•lbf/Btu (4.43 J/cal). Tuy nhiên, dự án của ông đã bị Hội đồng Hoàng gia bãi bỏ và ông phải tạm bằng lòng với việc cho xuất bản thành quả của mình trên tờ Triết học. Trong đó, ông quả quyết tin vào lập luận về sự thất thoát năng lượng của Carnot và Émile Clapeyron: “Tôi cho rằng lý thuyết này đối nghịch với những triết lý chủ chốt đã được đề ra vì nó dẫn đến kết luận rằng năng lượng có thể bị triệt tiêu do cách bố trí không chính xác trong quá trình thực nghiệm. Vì vậy, Clapeyron đưa ra suy luận nhiệt độ của lửa từ 1000°C đến 2000°C cao hơn so với nồi đun, có nghĩa là có một lượng lớn năng lượng thất thoát trong quá trình truyền nhiệt từ lò luyện đến nồi đun. “Tin rằng năng lượng để triệt tiêu là từ chính tự nhiên, tôi khẳng định... bất kì lý thuyết nào, khi thực nghiệm, đòi hỏi sự triệt tiêu lực, là một sai lầm cần thiết phải có.”
Bộ dụng cụ thí nghiệm của Joule đã được sử dụng trong đo đạc đương lượng nhiệt của công. Năm 1845, Joule có một bài thuyết trình về những nghiên cứu đương lượng nhiệt của công trước cuộc họp của hội đồng Anh tại Cambridge. Ông báo cáo về những thí nghiệm được quan tâm nhất liên quan đến việc sử dụng trọng lực để tiện một bánh guồng đặt trong một thùng đã phủ lớp cách ly chứa nước sau này được đo và thấy rõ sự tăng nhiệt độ. Ông ước lượng đương lượng nhiệt của công khoảng 819 ft•lbf/Btu.
Năm 1850, Joule hoàn thành và cho công bố những kết quả đo tinh vi hơn khoảng 772.692 ft•lbf/Btu (4.159 J/cal). Joule đã có một cuộc đấu tranh với Mayer về thuyết đương lượng nhiệt. Ban đầu, việc làm của Joule đã vấp phải nhiều sự chống đối, chủ yếu bắt nguồn từ sự cần thiết phải có số liệu đo lường cực kì chính xác. Ông cam đoan có thể đo nhiệt độ chính xác đến 1 phần 200 độ Fahrenheit. Sự chính xác này chắc chắn rất khó có được trong các thí nghiệm vật lý ở thời của ông, tuy nhiên những kẻ nghi ngờ ông đã không hề quan tâm tới nghệ thuật điều chế và khả năng nắm bắt nguyên lí thực hành của ông.
Tuy nhiên, ông đã nhận được sự trợ giúp của một nhà chế tạo công cụ khoa học John Benjamin Dancer. Joule đã tìm đến những người đi trước đồng quan điểm với ông như Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson, Count Rumford và Sir Humphry Davy. Dù các quan điểm đều có lí, Joule quyết định ước lượng giá trị cho đương lượng nhiệt của công là 1034 foot-pound theo những số liệu trước đó của Rumford. Nhiều tác giả hiện đại đã chỉ trích cách giải quyết này, vì theo họ các thí nghiệm của Rumford đã không chỉ ra các số liệu có hệ thống. Trong một ghi chú riêng của mình, Joule đã nói rằng những số liệu của Mayer không hề chính xác hơn Rumford, Mayer không tiên liệu được việc làm của mình.
Thời gian đó tại Đức, Hermann Helmholtz đã chú ý đến kết quả thí nghiệm của Joule lẫn của Julius Robert von Mayer. Dù cả hai người đều đã bị bỏ mặc không được quan tâm đến từ khi họ chính thức công bố kết quả các thí nghiệm nhưng nhờ lời tuyên bố xác đáng của Helmholtz năm 1847, thành quả của họ đều được công nhận.
Năm 1847, bài phát biểu của Joule tại Hội liên hiệp Anh ở Oxford đã thu hút được sự chú ý của George Gabriel Stokes, Michael Faraday, và William Thomson, sau đó là Lord Kelvin, người vừa được chỉ định làm giáo sư ở trường Đại học Glasgow. Stokes đã “quyết định ủng hộ Joule”, còn Faraday “đã rất ấn tượng” dù vẫn còn nhiều hoài nghi. Thomson thì có để ý tới kết quả thí nghiệm này nhưng chưa hoàn toàn tin tưởng.
Ngẫu nhiên, Thomson và Joule sau đó đã gặp nhau tại Chamonix. Joule và Thomson đã sắp xếp thực hiện một thí nghiệm vài ngày sau đó, để đo sự chênh lệch nhiệt độ đầu và cuối thác Cascade de Sallanches, nhưng việc làm này của họ không thành công. Dù Thomson nghĩ những kết quả của Joule cần phải có lí giải về mặt lý thuyết, ông cũng hết sức bảo vệ kết quả này tại trường Carnot-Clapeyron. Trong báo cáo năm 1848 của ông về nhiệt độ xác định, Thomson đã viết: “... sự biến đổi của nhiệt (hoặc hoạt động tỏa nhiệt) thành cơ năng là gần như không thể xảy ra, chắc chắn chưa được phát hiện”. Nhưng một ghi chú nhỏ đã báo hiệu những nghi ngờ đầu tiên của ông về nguyên lí tỏa nhiệt khi ông nói về “những phát kiến rất đáng lưu ý” của Joule. Đáng ngạc nhiên là, dù Thomson không gửi bản báo cáo cho Joule nhưng Joule đã đọc được. Ông viết thư cho Thomson tuyên bố những nghiên cứu của ông đã chỉ rõ sự biến đổi của nhiệt thành các tác dụng khác, nhưng ông đang muốn thực hiện thêm các thí nghiệm. Thomson trả lời thư vào ngày 27, rằng ông cũng đã lên kế hoạch cho thí nghiệm riêng của mình và mong đạt được sự thống nhất giữa hai người. Dù Thomson không thực hiện một thí nghiệm nào, nhưng trong vòng hai năm tiếp đó ông ngày càng cảm thấy thiếu niềm tin với các định luật của Carnot và tin tưởng vào định luật của Joule. Trong các báo cáo của ông năm 1851, Thomson đã quyết định tuyên bố “toàn bộ định luật về khả năng của nhiệt đã được nhắc đến trong hai lời tuyên bố của Joule, và Carnot”.
Ngay sau khi đọc được báo cáo, Joule đã viết thư cho Thomson để nhận xét và đặt nhiều câu hỏi. Từ đó bắt đầu một cuộc hợp tác rất hiệu quả giữa hai người, Joule thực hiện các thí nghiệm; Thomson nghiên cứu, phân tích các kết quả và yêu cầu các thí nghiệm khác. Sự hợp tác kéo dài từ năm 1852 đến năm 1856, dẫn đến sự ra đời của thành quả Joule-Thomson, giúp công việc của Joule và thuyết động lực học được công nhận.
Joule là học trò của Dalton, ông có một niềm tin chắc chắn vào thuyết nguyên tử, dù rất nhiều nhà khoa học thời ông vẫn còn nghi ngờ. Ông cũng là một trong số ít người quan tâm đến những thành quả của John Herapath về thuyết động lực học đối với khí gas. Sau đó, ông chịu ảnh hưởng của các báo cáo của Peter Ewart năm 1813, Joule đã thấu hiểu được mối quan hệ giữa các khám phá của ông và thuyết động lực học về nhiệt. Các sách vở ghi lại thí nghiệm của ông cho thấy ông tin nhiệt là một dạng xoay vòng, hơn là chuyển dịch.
Joule mất tại nhà ở Sale và được chôn cất tại nghĩa trang Brooklands. Bia mộ của ông được khắc con số “772.55”, số liệu mà ông đã đưa ra trong lý thuyết sự tương đương cơ học của nhiệt năm 1878, cùng lời trích dẫn trong Cẩm nang của John, “Tôi phải hoàn thành công việc mà anh ấy đã gửi lại cho tôi, khi không một ai có thể làm được.”
Trong nghiên cứu, ông đã cùng Kelvin phát triển thang đo nhiệt độ nguyên chất, nghiên cứu về hiện tượng từ giao, xác định đương lượng nhiệt của công.
Cùng với nhà bác học Nga Lenze, ông phát hiện ra mối liên hệ giữa nhiệt và dòng điện chạy qua từ đó thiết lập định luật về cách tính nhiệt lượng toả ra từ một đoạn dây có dòng điện chạy qua. Định luật này sau được gọi là định luật Joule- Lenze.
Joule cùng W. Thomson đã tìm ra hiệu ứng về động lực học mang tên hai ông (thuyết động lực học), vận dụng thuyết động học trong chất khí để giải thích định luật Bôi- Mariôt (Boyle - Mariotte) nhằm tính vận tốc trung bình của phân tử khí.
Cống hiến lớn của ông cho khoa học là định luật về cơ năng và nhiệt năng. Đó là: Nhiệt lượng có khả năng tăng nhiệt độ của một pound nước thêm 1 độ Fahrenheit thì bằng và có thể chuyển hóa thành lực cơ học đủ để nâng 834 pound lên độ cao 1 foot. Sau này để ghi nhớ công ơn ông, người ta đã lấy tên ông đặt cho đơn vị công (Ký hiệu là J).
Sau khi ông mất, khu tưởng niệm ông đã được xây dựng ở phía bắc tu viện Westminster dù ông không được chôn cất tại đó. Tượng đài kỷ niệm ông do Alfred Gilbert thực hiện, toạ lạc trong tòa thị chính Manchester, đối diện với tượng Dalton cho thấy sự biết ơn của nhân loại đối với đóng góp của ông trong lịch sử phát triển vật lý.