James Prescott Joule FRS FRSE (pronunciado em inglês /dʒuːl/; 24 de dezembro de 1818 - 11 de outubro de 1889) foi um físico inglês. Joule estudou a natureza do calor e descobriu sua relação com o trabalho mecânico. Essa relação levou à lei da conservação da energia e, a partir dela, ao desenvolvimento da primeira lei da termodinâmica. A unidade de energia do Sistema Internacional de Unidades, o joule (J), recebeu esse nome em sua homenagem.
Joule trabalhou com William Thomson, mais tarde lorde Kelvin, no desenvolvimento de uma escala termodinâmica absoluta de temperatura, que recebeu o nome de escala Kelvin. Também fez observações sobre magnetostrição e encontrou a relação entre a corrente elétrica que atravessa um resistor e o calor dissipado, relação conhecida como primeira lei de Joule. Seus experimentos sobre transformações de energia foram publicados pela primeira vez em 1843.
James Joule nasceu em 1818, filho de Benjamin Joule, um rico cervejeiro, e de Alice Prescott, na New Bailey Street, em Salford. Quando jovem, teve aulas com o cientista John Dalton e recebeu forte influência do químico William Henry e dos engenheiros de Manchester Peter Ewart e Eaton Hodgkinson. Fascinado pela eletricidade, ele e o irmão faziam experimentos dando choques elétricos um no outro e nos empregados da família.
Na idade adulta, Joule administrou a cervejaria da família. A ciência era um hobby levado a sério. Por volta de 1840, começou a investigar a possibilidade de substituir os motores a vapor da cervejaria pelo recém-inventado motor elétrico. Seus primeiros artigos científicos sobre o assunto foram publicados no Annals of Electricity, de William Sturgeon. Joule também integrou a London Electrical Society, fundada por Sturgeon e outros.
Movido em parte pelo desejo de avaliar financeiramente as alternativas e em parte por sua curiosidade científica, Joule procurou descobrir qual máquina motriz era mais eficiente. Em 1841, descobriu a primeira lei de Joule, segundo a qual "o calor desenvolvido pela ação adequada de qualquer corrente voltaica é proporcional ao quadrado da intensidade dessa corrente, multiplicado pela resistência à condução que ela encontra". Percebeu ainda que queimar cerca de 0,45 kg de carvão em uma máquina a vapor era mais econômico do que consumir a mesma massa de zinco em uma bateria elétrica. Para comparar os métodos, adotou um padrão comum de trabalho que, em unidades do SI, corresponde a cerca de 1,356 J.
O interesse de Joule deixou então de se limitar à questão financeira e passou à quantidade de trabalho que poderia ser extraída de uma determinada fonte, levando-o a pensar na conversão entre formas de energia. Em 1843, publicou resultados de experimentos que mostravam que o aquecimento quantificado em 1841 era gerado no condutor, e não transferido de outra parte do equipamento. Era um desafio direto à teoria calórica, segundo a qual o calor não podia ser criado nem destruído. A teoria calórica dominava o estudo do calor desde sua introdução por Antoine Lavoisier em 1783. O prestígio de Lavoisier e o êxito prático da teoria calórica da máquina térmica de Sadi Carnot, a partir de 1824, tornaram difícil a recepção das ideias do jovem Joule, que trabalhava fora da academia e da profissão de engenheiro. Os defensores da teoria calórica recorriam à simetria do efeito Peltier-Seebeck para sustentar que calor e corrente podiam ser convertidos um no outro por um processo reversível, ao menos de forma aproximada.
Outros experimentos e medições com seu motor elétrico levaram Joule a estimar o equivalente mecânico do calor em 4,1868 J por caloria, isto é, o trabalho necessário para aumentar em um grau Celsius ou Kelvin a temperatura de um grama de água. Ele apresentou os resultados em uma reunião da seção de química da Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em Cork, em agosto de 1843, sem despertar reação da plateia.
Joule prosseguiu em busca de uma demonstração puramente mecânica da conversão de trabalho em calor. Ao forçar água através de um cilindro perfurado, podia medir o pequeno aquecimento viscoso do fluido. Obteve um equivalente mecânico de 4,14 J/cal. A concordância, em pelo menos dois algarismos significativos, entre os valores obtidos por meios elétricos e puramente mecânicos era, para Joule, uma evidência convincente da conversão de trabalho em calor.
"Onde quer que se despenda força mecânica, obtém-se sempre um equivalente exato de calor."J. P. Joule, agosto de 1843
Joule tentou então uma terceira abordagem. Mediu o calor gerado em relação ao trabalho realizado na compressão de um gás e obteve um equivalente mecânico de 4,29 J/cal. Esse experimento oferecia um alvo particularmente fácil aos críticos, mas Joule procurou responder antecipadamente às objeções com novos testes experimentais.
Joule apresentou seu artigo à Royal Society em 20 de junho de 1844, mas a instituição recusou sua publicação e ele acabou publicando o trabalho no Philosophical Magazine em 1845. Nesse artigo, rejeitou abertamente a interpretação calórica de Carnot e Émile Clapeyron, em parte por motivos teológicos:
"Concebo que essa teoria [...] se opõe aos princípios reconhecidos da filosofia porque leva à conclusão de que a vis viva pode ser destruída por uma disposição inadequada do aparelho. Assim, o sr. Clapeyron conclui que, sendo a temperatura do fogo entre 1.000 °C e 2.000 °C superior à da caldeira, existe uma enorme perda de vis viva na passagem do calor da fornalha para a caldeira. Acreditando que o poder de destruir pertence somente ao Criador, afirmo [...] que qualquer teoria que, levada às suas consequências, exija a aniquilação da força é necessariamente errônea."
Joule empregava aqui a linguagem da vis viva, ou energia. Uma possível razão é que Hodgkinson havia apresentado, à Sociedade Literária e Filosófica de Manchester, em abril de 1844, uma análise do artigo de Ewart On the measure of moving force.
Em junho de 1845, Joule apresentou On the Mechanical Equivalent of Heat em uma reunião da Associação Britânica em Cambridge. Nesse trabalho relatou seu experimento mais conhecido, no qual um peso em queda realizava trabalho mecânico pela ação da gravidade e fazia girar uma roda de pás dentro de um recipiente isolado com água, cuja temperatura aumentava. Sua nova estimativa para o equivalente mecânico foi de 4,404 J/cal. Em setembro de 1845, publicou no Philosophical Magazine uma carta que explicava o experimento.
Em 1850, Joule publicou uma medição refinada de 4,155 J/cal, mais próxima dos valores obtidos no século XX.
Para a controvérsia sobre a prioridade em relação a Mayer, veja Equivalente mecânico do calor#História e disputa de prioridade.
Grande parte da resistência inicial ao trabalho de Joule vinha de sua dependência de medições extremamente precisas. Ele afirmava conseguir medir diferenças de temperatura de cerca de 3 mK. Essa precisão era incomum na física experimental de sua época, e seus críticos talvez subestimassem sua experiência com os processos da fabricação de cerveja e o acesso que tinha às tecnologias usadas nessa atividade. Joule também contou com o auxílio do fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer.
Os experimentos de Joule complementaram o trabalho teórico de Rudolf Clausius, citado em parte da historiografia como coinventor do conceito de energia.