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Kalenderblatt / Archiv | Beitrag vom 11.10.2014

James Prescott JouleBierbrauer und Tüftler

Von Anke Wilde

Blick auf eine Heizungsregulierung. (picture alliance / dpa / Foto: Sven Hoppe)
Das Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge. (picture alliance / dpa / Foto: Sven Hoppe)

Die Maßeinheit Joule bezeichnet eine Energie-, Arbeit- oder Wärmemenge, aber auch den physiologischen Brennwert von Nahrungsmitteln. Benannt ist sie nach James Prescott Joule. Der vor 125 Jahren verstorbene Physiker entdeckte, dass Arbeit und Wärme zueinander äquivalent sind.

" Mit Joules Arbeiten fängt etwas an, was dann als Energiephysik bezeichnet werden kann, wo also Energie die ganz zentrale, verschiedene Teilbereiche der Physik verknüpfende Größe wird."

Für Peter Heering, Professor für Physikgeschichte an der Universität Flensburg, ist James Prescott Joule einer der zentralen Wegbereiter für den Satz von der Erhaltung der Energie. Seine Arbeiten zu Elektrizität und Thermodynamik machten den britischen Forscher zu einem der bekanntesten Physiker des 19. Jahrhunderts.

Als Sohn eines Bierbrauers war Joule schon früh vertraut mit der Funktion von Wärme und dem Umgang mit Thermometern. Der Keller der Brauerei, die seinem Vater gehörte und die er später selbst übernahm, diente ihm viele Jahre lang als Labor für seine wichtigsten Experimente.

Geboren wurde Joule am 24. Dezember 1818 in Salford nahe der Industriestadt Manchester. Weil er offenbar seit seiner Kindheit an einer Wirbelsäulenerkrankung litt, erhielt der naturwissenschaftlich begeisterte Junge gemeinsam mit seinem älteren Bruder Privatunterricht. Einer ihrer Lehrer war der englische Chemiker und Physiker John Dalton.

"John Dalton ist ist eigentlich bekannt als die Person, die zentral ist für die Etablierung des Atomkonzepts im frühen 19. Jahrhundert, und ist aber jemand, der sehr stark auf quantitative Messungen gesetzt hat. Das ist zu dem Zeitpunkt noch relativ neu, und zeigt aber gewisse Parallelen zu dem, was Joule dann später in seiner eigenen wissenschaftlichen Karriere macht, dass Joule eben dann auch gerade quantitative Verhältnisse untersucht."

Die Entdeckung der Energie als wissenschaftliche Größe

Zunächst ist Joule fasziniert von den technischen Möglichkeiten, die sich aus der Elektrizität ergeben. Er erkennt, dass von elektrischem Strom durchflossene Leiter Wärme abgeben und dass es einen direkten Zusammenhang gibt zwischen der abgegebenen Wärme, dem elektrischen Widerstand des Drahtes und der Stromstärke. Dieser Zusammenhang wird auch als elektrisches Wärmeäquivalent bezeichnet.

Dem fügt er in den 1840er-Jahren noch das sogenannte mechanische Wärmeäquivalent hinzu.
"Joule zeigt, dass eine bestimmte Menge mechanische Arbeit in der Lage ist, eine bestimmte Wärmemenge zu erzeugen. Und zwar genau diese Wärmemenge. Und damit liegt dann der Gedanke nahe, es gibt eine Erhaltungsgröße. Und diese Erhaltungsgröße wird dann als Energie in die Physik eingeführt."

Damit hat Joule die experimentellen Vorarbeiten geleistet für den Energieerhaltungssatz, den der deutsche Hermann von Helmholtz später - auch mit dem Verweis auf den englischen Physiker - formuliert. Der besagt, dass mechanische Arbeit, elektrische Energie und Wärme im Grunde das Gleiche sind: physikalische Größen, die ineinander umgewandelt, aber nicht neu erschaffen werden oder verloren gehen können.

Verkannt und ignoriert

In der wissenschaftlichen Gemeinde Englands allerdings werden Joules Erkenntnisse zunächst nicht ernst genommen.

"Joule ist kein Universitätsphysiker, Joule hat keine universitäre Ausbildung, sondern Joule ist ein klassischer Gentleman, der es zu seiner Aufgabe gemacht hat, sich mit Naturwissenschaft zu beschäftigen. Das ist aber ein Rollenbild, das eigentlich eher in das erste Viertel des 19. und vor allem in das 18. Jahrhundert passt. Wissenschaft ist zu dem Zeitpunkt aber schon sehr viel professionalisierter geworden."

Doch Joule lässt sich nicht beirren. Von der Richtigkeit seiner Erkenntnisse ist er überzeugt, und zudem hat für ihn die Tatsache, dass da etwas erhalten wird, durchaus auch eine religiöse Bedeutung, wie er in einer seiner zahlreichen Veröffentlichungen schreibt.

"Ich will keine Zeit damit verlieren, diese Experimente weiter zu wiederholen oder auszudehnen; ich bin zufrieden, dass die großen Kräfte der Natur durch das Wirken des Schöpfers unzerstörbar sind, und dass, wo immer mechanische Arbeit aufgewendet wird, immer auch ein exaktes Äquivalent an Wärme erzeugt wird."

Der Joule-Thomson-Effekt

1847 kommt endlich der ersehnte Umbruch. Bei einem Vortrag in Oxford wird ein junger, aber bereits hochgeschätzter Wissenschaftler auf ihn aufmerksam: William Thomson, der spätere Lord Kelvin. Mit seiner Hilfe erfährt Joule allmählich die Anerkennung, die der Qualität seiner Arbeiten würdig ist. Joule und Thomson erforschen gemeinsam die Wärmeentwicklung von Gasen und entdecken, dass Gase sich abkühlen, wenn sie sich ausdehnen. Dieser Joule-Thomson-Effekt wird beispielsweise bei Kühlschränken genutzt.
Die Brauerei verkauft er 1855, um sich ganz seinen wissenschaftlichen Experimenten widmen zu können.

Nur wenige Wochen vor seinem Tod am 11. Oktober 1889 erhält James Prescott Joule eine der größten Auszeichnungen, die einem Wissenschaftler zuteilwerden können: Auf dem zweiten Internationalen Elektrizitätskongress in Paris wird die offizielle Einheit für die Energie ihm zu Ehren "Joule" benannt.

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