Η ασθενική του φύση δεν του επέτρεψε να πάει ποτέ
σχολείο. Όμως διδάχθηκε κατ΄οίκον και στα 16 του χρόνια έγινε
μαθητής του καθηγητή του Μάντσεστερ John Dalton, του
επιστήμονα που αναβίωσε τη θεωρία του Δημόκριτου για το άτομο,
στη σύγχρονη εποχή.
Μετά τις σπουδές του ασχολήθηκε με την
οικογενειακή επιχείρηση ζυθοποιίας αλλά δεν σταμάτησε ποτέ την
επιστημονική έρευνα.
Θέλοντας να αντικαταστήσει τις ατμομηχανές του εργοστασίου με
ηλεκτροκινητήρες, ασχολήθηκε με τη μελέτη των φαινομένων του
ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό τον οδήγησε στη διατύπωση του
γνωστού νόμου του (νόμος του Joule), σύμφωνα με τον οποίο η
θερμότητα που παράγεται σε έναν αγωγό ανά μονάδα χρόνου είναι
ανάλογη της αντίστασής του και του τετραγώνου της έντασης του ρεύματος που
το διαρρέει.
Άμεσο συμπέρασμα του νόμου είναι λοιπόν ότι η
θερμότητα δεν προέρχεται από τον αγωγό αλλά από το ηλεκτρικό
ρεύμα. Επομένως πρόκειται για μια μορφή ενέργειας. Αυτό ερχόταν
σε αντίθεση με τη θεωρία για το θερμιδικό ρευστό που πρέσβευε ο
διακεκριμένος επιστήμονας Lavoisier (Λαβουαζιέ), κι
έτσι οι ιδέες του Joule δε βρήκαν ανταπόκριση.
Στη συνέχεια ο Joule κατασκεύασε μια από τις πιο
ενδιαφέρουσες πειραματικές διατάξεις, μια συσκευή για να
μετρήσει με ακρίβεια τον λόγο μηχανικής προς θερμική
ενέργεια, αυτό που σήμερα ονομάζουμε μηχανικό ισοδύναμο της
θερμότητας. Αυτή αποτελείται από ένα θερμικά μονωμένο κυλινδρικό
δοχείο, γεμάτο με νερό, τοποθετημένο κατακόρυφα. Στο εσωτερικό
του δοχείου περιστρέφεται μια φτερωτή. Στον άξονα της φτερωτής
είναι τυλιγμένος σπάγκος, στην άλλη άκρη του οποίου είναι δεμένη
μία μάζα. Αφήνοντας τη μάζα να πέσει από ένα ορισμένο ύψος, ο
σπάγκος περιστρέφει τη φτερωτή μέχρι η μάζα να φτάσει στο
έδαφος. Τότε η δυναμική ενέργεια του βάρους έχει μετατραπεί σε
θερμότητα, λόγω τριβής μεταξύ των μορίων του νερού, η οποία έχει
ανεβάσει τη θερμοκρασία του νερού στο δοχείο.
Ο Joule μετρούσε τη θερμοκρασία του νερού πριν και μετά το
πείραμα και υπολόγιζε στη συνέχεια πόσες θερμίδες είχαν
προστεθεί στο νερό, από τη γνωστή, ήδη εκείνη την εποχή, σχέση
της θερμιδομετρίας.
Q=m*c*ΔΤ, όπου
- m: η μάζα του νερού,
- ΔΤ: η μεταβολή της θερμοκρασίας και
- c: η ειδική θερμότητα του νερού που ισούται με 1
Στη συνέχεια εξίσωνε τη θερμότητα που υπολόγιζε σε
θερμίδες με τη δυναμική ενέργεια της μάζας (στο βρετανικό
σύστημα μονάδων) κι έτσι μπόρεσε να μετρήσει με επιστημονικά
αδιαμφισβήτητο τρόπο την αναλογία της θερμότητας προς τη
μηχανική ενέργεια.
Το 1847 ανάγγειλε
τις εργασίες του στην επαλήθευση του αξιώματος της διατήρησης
της ενέργειας. Για τις έρευνες του έγινε γνωστός στον ευρύτερο
επιστημονικό κύκλο, με συνέπεια ο διάσημος τότε φυσικός Λόρδος
Kelvin (Κέλβιν) να τον κάνει συνεργάτη του σε πολλά θέματα της
Φυσικής.
Προς τιμήν του Joule, σήμερα
η μονάδα ενέργειας στο διεθνές σύστημα φέρει το όνομά του.
