James Prescott Joule, physicien.

James Prescott Joule, né le 24 décembre 1818 à Salford, près de Manchester (Angleterre) et mort le 11 octobre 1889 à Sale (Angleterre), est un physicien anglais.

Son étude sur la nature de la chaleur et sa découverte de la relation avec le travail mécanique l’ont conduit à la théorie de la conservation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique). Il a également énoncé une relation entre le courant électrique traversant une résistance et la chaleur dissipée par celle-ci, appelée depuis le XXe siècle la loi de Joule. Enfin il a travaillé avec Lord Kelvin pour développer l’échelle absolue de température et a étudié la magnétostriction. En 1850, il devient membre de la Royal Society. En 1852, il est lauréat de la Royal Medal et, en 1870, il reçoit la médaille Copley. Dans le Système international, l’unité de l’énergie et de la quantité de chaleur1 porte son nom : le joule.


Fils du brasseur Benjamin Joule (1784-1858), James Prescott Joule est éduqué à domicile jusqu’en 1842, date à laquelle il est envoyé avec son frère aîné pour étudier à la Manchester Literary and Philosophical Society, où il reçoit notamment l’enseignement de John Dalton. Les deux frères étudient deux ans la géométrie et l’arithmétique avant que Dalton ne soit forcé de prendre sa retraite en raison d’un AVC. Cependant l’influence de Dalton fut décisive, de même que celle de son associé le chimiste William Henry et des ingénieurs de Manchester Peter Ewart et Eaton Hodgkinson. John Davies prend alors en charge leur éducation. Joule est bientôt fasciné par l’électricité qu’il expérimente avec son frère en se donnant mutuellement des chocs électriques.

Joule travaille ensuite dans la brasserie familiale et y prend un rôle actif jusqu’à la vente de l’usine en 1854. La science n’est alors pour lui qu’un loisir mais il commence rapidement à étudier la faisabilité du remplacement de la machine à vapeur de la brasserie par le moteur électrique qui vient d’être inventé. En 1838, il écrit sa première publication scientifique dans Annals of electricity, le journal scientifique créé par William Sturgeon, collègue de Davies. Il découvre l’effet Joule en 1840 et espère une publication par la Royal Society, mais découvre, une première fois, qu’il n’est considéré que comme un simple dilettante provincial. Quand Sturgeon déménage à Manchester en 1840, Joule et lui deviennent le centre d’un cercle d’intellectuels mancuniens. Les deux considèrent que sciences et technologie pourraient et devraient être intégrées.

Il découvre qu’une livre de charbon dans une machine à vapeur produit cinq fois plus de travail qu’une livre de zinc consommée dans une cellule de Grove4, un des premiers modèles de piles électriques. Le concept de travail économique6 de Joule est la capacité d’élever une masse d’une livre de un pied, le pied-livre.

Joule était influencé par les idées de Franz Aepinus et tenta d’expliquer les phénomènes électrique et magnétique en termes d’atomes entourés par un « éther calorifique en état de vibration ».

Cependant, l’intérêt de Joule se détourna de la question financière restreinte pour celle de la détermination de la quantité d’énergie que pouvait fournir une source donnée d’énergie, l’amenant à supposer la nature convertible de l’énergie. En 1843 il publie des résultats expérimentaux montrant que l’effet thermique qu’il avait quantifié en 1841 était dû à la génération de chaleur dans le matériau conducteur et non de son transfert depuis une autre partie du matériel8. Cela constituait une remise en cause directe de la théorie du calorique qui supposait que la chaleur ne pouvait ni être créée ni être détruite et qui dominait le débat scientifique depuis son introduction par Antoine Lavoisier en 1783. Le prestige de Lavoisier et les succès pratiques de la théorie du calorique acquis par Sadi Carnot à propos des machines thermiques depuis 1824 ont rendu difficile l’acceptation des théories du jeune Joule, travaillant en dehors des milieux académiques ou de l’ingénierie. Les tenants de la théorie du calorique pointèrent rapidement la symétrie avec les effets Peltier et Seebeck pour prétendre que chaleur et courant étaient mutuellement convertibles, au moins approximativement, par un processus réversible.

Joule adopte ici le terme de living force ou vis viva (Force vive, énergie), parce qu’il entend le mot force au sens de Leibniz (m·v2), qu’il cite en exergue de son papier de 1849.

Davantage d’expériences et des mesures l’amènent à considérer l’équivalent mécanique de la chaleur par la conversion suivante : 838 pieds-livres de travail sont nécessaires pour élever la température d’une livre d’eau d’un degré Fahrenheit. Il annonce ces résultats à une réunion de la section Chimie de la British Association for the Advancement of Science à Cork en 1843. Il y est accueilli par le silence.

Opiniâtre, Joule commence à chercher une démonstration purement mécanique de la conversion du travail en chaleur. En forçant le passage d’eau à travers un cylindre perforé, il est capable de mesurer un léger échauffement visqueux du fluide. Il obtient alors l’équivalent de 770 pied-livre/BTU (soit 4,14 J/cal). Le fait que les valeurs obtenues aussi bien électriquement que purement mécaniquement soient identiques, au moins au premier ordre, était pour Joule la preuve de la convertibilité du travail en chaleur.

Joule essaye également une troisième voie : il mesure la chaleur générée lors d’un travail de compression d’un gaz. Il obtient alors l’équivalent mécanique de 823 pied-livre/BTU (4,43 J/cal). D’une certaine façon cette expérience est celle qui exposait le plus Joule aux critiques mais il anticipe les objections par une pratique expérimentale ingénieuse. Néanmoins son article est refusé par la Royal Society et il doit se contenter d’une  publication dans le Philosophical Magazine.

En 1845, Joule lit son article On the mechanical equivalent of heat à une réunion de la British Association à Cambridge. Il y relate son travail le plus connu, utilisant une masse tombante pour faire tourner une roue à aubes dans un cylindre calorifugé rempli d’eau dont l’élévation de température est mesurée. Il estime à ce moment l’équivalent mécanique de la chaleur à 819 pieds-livres/BTU (4,41 J/cal).

En 1850, Il publie une mesure plus fine de 772,692 pieds-livres/BTU (4,159 J/cal), encore plus proches des valeurs actuelles.

Voir aussi cette vidéo :

https://www.youtube.com/watch?v=WpmxUSqDGsU

Sources : Wikipédia, YouTube.

 

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