James Prescott Joule

Joule n’était pas professeur d’université mais fils d’un riche brasseur de Salford, près de Manchester, qui menait ses expériences dans son laboratoire privé. Par des mesures d’une précision remarquable, il a établi que l’on obtient toujours la même quantité de chaleur pour une même quantité de travail, quel que soit le procédé. C’est l’un des piliers du principe de conservation de l'énergie.

Repères chronologiques

L’effet Joule

En 1841, Joule montre que la chaleur dégagée par un conducteur parcouru par un courant est proportionnelle à sa résistance et au carré de l’intensité : P = R × I². C’est l'effet Joule, principe des radiateurs électriques, des grille-pain, des fusibles, mais aussi cause des pertes dans les lignes électriques, qui justifie le transport à très haute tension. Voir l’électricité et la loi d’Ohm.

L’équivalent mécanique de la chaleur

Au début du XIXe siècle, la chaleur est vue comme un fluide invisible, le calorique, qui se conserve. Joule montre qu’au contraire la chaleur se crée à partir de travail mécanique.

Son expérience la plus célèbre (1845-1850) : des masses qui descendent font tourner, par des cordes et des poulies, une roue à palettes plongée dans une cuve d’eau isolée. Le brassage réchauffe l’eau de quelques fractions de degré, mesurées avec des thermomètres très précis. Le travail fourni (masse × hauteur de chute) et la chaleur produite sont proportionnels.

L’Allemand Julius Robert von Mayer avait proposé dès 1842 une valeur de cet équivalent, par un raisonnement théorique ; une querelle de priorité les opposa. Hermann von Helmholtz généralise en 1847 le principe de conservation de l’énergie, qui devient le premier principe de la thermodynamique.

L’effet Joule-Thomson

Avec William Thomson, Joule découvre qu’un gaz qui se détend à travers un bouchon poreux, sans échange de chaleur, se refroidit dans la plupart des conditions. Cet effet Joule-Thomson est utilisé pour la liquéfaction des gaz et dans les réfrigérateurs et les climatiseurs.

La réception

Les premiers travaux de Joule sont accueillis avec scepticisme : sa présentation de 1843 suscite peu d’intérêt, et la Royal Society ne publie d’abord que des résumés de certains de ses mémoires. C’est la rencontre avec Thomson, à Oxford en 1847, qui change la donne. Thomson, d’abord fidèle à la théorie de Sadi Carnot qui reposait sur le calorique, comprend la portée des mesures et concilie les deux approches.

L’unité joule

Le joule (J) est l’unité d’énergie, de travail et de quantité de chaleur du Système international, adoptée en 1889. Un joule est le travail d’une force d’un newton sur un mètre ; c’est à peu près l’énergie nécessaire pour soulever une pomme de 100 g d’un mètre.

Questions fréquentes

Qu’a découvert James Prescott Joule ?

Que la chaleur et le travail mécanique sont équivalents et peuvent se convertir l’un en l’autre dans un rapport constant, et que la chaleur produite par un courant est proportionnelle au carré de son intensité (effet Joule).

Qu’est-ce que l’effet Joule ?

Le dégagement de chaleur dans un conducteur parcouru par un courant électrique. La puissance dissipée vaut R × I², où R est la résistance et I l’intensité.

Pourquoi l’unité d’énergie s’appelle-t-elle le joule ?

En hommage à ses expériences, qui ont démontré l’équivalence entre chaleur et travail et contribué au principe de conservation de l’énergie. Le nom a été adopté en 1889, l’année de sa mort.