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Porträt

Vom Bierbrauen zur SI-Einheit

| Autor/ Redakteur: Alexander Völkert / Simone Käfer

Dass eine bestimmte Menge mechanischer Arbeit eine bestimmte Menge Wärme erzeugt, weiß heute ein jeder. Doch dem Entdecker dieses Gesetzes glaubte man zunächst nicht – war er doch nur der Sohn eines Bierbrauers.

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James Prescott Joule wurde als Sohn eines Bierbrauers geboren und starb als berühmter Physiker.
James Prescott Joule wurde als Sohn eines Bierbrauers geboren und starb als berühmter Physiker.
(Bild: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:James_Prescott_Joule_by_John_Collier,_1882.jpg) / CC0)

Auf einem alten Grabstein auf dem Brooklands-­Friedhof in Manchester fällt einem vornehmlich die Zahl 772,55 ins Auge. Um ein britisches Pfund Wasser um 1 °F beziehungsweise 0,56 °C zu erwärmen, wird so viel Wärmeenergie benötigt, wie entsteht, wenn ein Gewicht von 772,55 Pfund aus einer Höhe von einem Fuß (30,48 cm) fällt. James Prescott Joule, der Brite, um dessen Grabstein es sich handelt, ist damit so maßgeblich an der Interpretation von Wärme beteiligt, dass die SI-Einheit heute für alle Energieformen in Joule angegeben wird. Joules Absichten sind zunächst vor allem praktische. Er möchte den Wirkungsgrad von Fahrenheits Prototyp eines E-Motors untersuchen und muss hierbei erkennen, dass die Konstruktion von 1821 keine Alternative zur Dampfmaschine darstellt. Der mögliche Nutzen ist einfach zu gering, der Verbrauch von Zink und Batterieflüssigkeit zu hoch. Gleichwohl kommt Joule gerade dadurch zu genaueren Beobachtungen dessen, was wir heute Thermodynamik nennen. Fasziniert und in spiritueller Demut schreibt er nach seinen viele Jahre andauernden akribischen Experimenten: „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.“ Mit seinen Untersuchungen und Entdeckungen gilt er als einer der bedeutendsten Forscher und Wegbereiter für die moderne Physik. Doch wie kam er dazu?

Vom Bierbrauersohn zum Forscher

Er wird vor 200 Jahren am 24. 12. 1818 als zweiter Sohn eines wohlhabenden Bierbrauers in Salford in der Nähe von Manchester geboren. Somit ist er früh mit der Funktion von Wärme und dem Umgang mit Thermometern vertraut. Zugleich wächst er im englischen Frühkapitalismus von Manchester auf. Manufakturen weichen mehr und mehr großen Fabriken dank einer Erfindung, an der vor allem Mitte des 18. Jahrhunderts ein Schotte so großen Anteil hatte, dass die SI-Einheit der physikalischen Größe „Leistung” nach ihm benannt ist: James Watt optimiert die Dampfmaschine mit mehreren Erfindungen. Seine Maschine leitet im 19. Jahrhundert ausgehend von England das moderne Industriezeitalter in ganz Europa und Nordamerika ein. Der junge James Joule sieht sie in Form der ersten Lokomotiven auf Schienen, aber auch als Antriebsmaschine in der familieneigenen Brauerei. Technische Zusammenhänge interessieren den Jungen, der mit seinem Bruder im Alter von 16 Jahren zwei Mal pro Woche von John Dolton, dem berühmten Physiker aus Manchester, in Mathematik, Geometrie und Chemie unterrichtet wird. Fortan lassen ihn die Naturwissenschaften nicht mehr los. Als junger Mann experimentiert er im Labor der väterlichen Brauerei monatelang an der Wirkung der Elektrizität und lässt Strom durch Metalldrähte unterschiedlicher Länge, Dicke und Materialien fließen. Dabei misst Joule die entstehende Wärme. Seine mühsamen Forschungen fasst er 1841 im Alter von 23 Jahren zu dem nach ihm benannten Gesetz zusammen: Die entstehende Wärme steigt mit dem Widerstand des Stromleiters, dem Quadrat der Stromstärke und der Dauer, in welcher der Strom fließt – das erste joulesche Gesetz.

Das Leben von James Prescott Joule
  • 1818 James Prescott Joule wird am 24. 12. 1818 als zweiter Sohn eines wohlhabenden Bierbrauers im englischen Salford bei Manchester geboren.
  • 1840 Entdeckt er das erste joulesche Gesetz: die Erwärmung durch elektrischen Strom in elektrischen Leitern (Stromwärmegesetz).
  • 1845 Die Konstanz der Temperatur bei Ausdehnung eines idealen Gases (Gay-Lussac-Versuch) wird das zweite Joulesche Gesetz.
  • 1852 Joule und Thomsen veröffentlichen den nach ihnen benannten Effekt, der besagt, dass sich ein Gas, das sich ungestört ausdehnen kann, abkühlt.
  • 1889 Ab dem 31. August heißt die SI-Einheit für Energie „Joule”.
  • 1889 Am 11. Oktober stirbt Joule.
  • Der Durchbruch gelingt mit Thomsen

    Und er untersucht das Phänomen Wärme weiter, denn im frühen 19. Jahrhundert wissen Ingenieure zwar, wie eine Dampfmaschine funktioniert, doch dass dabei Wärme entsteht, dass Energie vorhanden ist und was sie auszeichnet, dazu gibt es nur Vermutungen. Dass es Joule bei seinen Untersuchungen gelingt, eine eindeutige Beziehung zwischen aufgewendeter Arbeit und entstehender Wärme festzustellen, interessiert die Wissenschaftler in London nicht. Joule hat nie studiert und doch rein empirisch das mechanische Wärmeäquivalent entdeckt: Eine bestimmte Menge mechanischer Arbeit erzeugt stets eine bestimmte Menge Wärme. Seine Studien finden kaum Gehör, zumal seine These der Erzeugung von Wärme der vorherrschenden Meinung widerspricht. Nur ein junger, aufstrebender irischer Wissenschaftler, der intensiv zur Wärme forscht und bereits mit 22 Jahren Professor für Naturwissenschaft in Glasgow ist, wird auf Joules Experimente aufmerksam: William Thomsen. Er begründet die Thermodynamik und fasst Joules Ergebnisse als ersten Hauptsatz zusammen: Wärme ist eine Form von Energie, die durch Arbeit erzeugt wird. Die Energie in einem geschlossenen System kann umgewandelt werden. Sie kann dabei weder zu- noch abnehmen – der Energieerhaltungssatz. Der zweite Hauptsatz von Thomsen besagt: Die Wärme kann niemals vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Ein Teil bleibt stets ungenutzt. Joule und Thomsen sind natürlich nicht die einzigen, die sich mit Wärme beschäftigen, aber Joule hat die umfassendsten und sorgfältigsten Experimente durchgeführt und seine empirischen Ergebnisse begründet.

    Der irische und der englische Forscher werden Freunde und arbeiten fortan gemeinsam. Sie untersuchen in jahrelangen Experimenten die Temperatur von Gas bei Druckänderung und erkennen, dass sich dieses dabei abkühlt. Viele Jahre später wendet der deutsche Ingenieur und Erfinder Carl von Linde diesen Joule-Thomsen-Effekt so oft hintereinander an, bis es ihm gelingt, Luft auf so niedrige Temperatur abzukühlen, dass sie flüssig wird. Das Linde-Verfahren gilt als Voraussetzung für die Entwicklung der ersten Kühlschränke. Doch zurück zu Joule und seinem Freund Thomsen: Durch das Interesse Thomsens an Joules Arbeiten findet dieser plötzlich Gehör in der Wissenschaft. Die beiden forschen viele Jahre gemeinsam. Und Joule hat nicht nur das Wärmeäquivalent entdeckt und ganz wesentlich zum Energieerhaltungssatz beigetragen. Er erfindet das Lichtbogen- beziehungsweise das elektrische Schweißen und beschäftigt sich seit 1869 mit dem Phänomen des „grünen Blitzes“, analysiert Fotografien der Sonne und entwickelt die Verdrängerpumpe.

    Den Grabstein von Joule ziert seine erste Erkenntnis: 772,55.
    Den Grabstein von Joule ziert seine erste Erkenntnis: 772,55.
    (Bild: Glaukon, Wikimedia Commons / CC0)

    Der späte Ruhm und die Gnade der Pension

    Natürlich erfährt Joule viele Ehrungen. Er ist lange Zeit der Präsident der British Association for the Advancement and Science. 1880 erhält er die Albert Medal der Royal Society of Arts. Gleichwohl sind seine späten Lebensjahre nicht ausschließlich solche des Ruhms. Er gerät in finanzielle Not und keine Geringere als die britische Königin Viktoria gewährt ihm eine Pension von 200 Pfund jährlich auf Lebenszeit. Am 31. August 1889 beschließt der zweite internationale Elektrizitätskongress in Paris, den acht Jahre zuvor gemachten Vorschlag umzusetzen, dass die physikalische Einheit von Energie „Joule” benannt wird. Sechs Wochen später, am 11. Oktober 1889, stirbt James Prescott Joule.

    * Alexander Völkert ist freier Technikjournalist in 12049 Berlin

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