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James Prescott Joule

James Prescott Joule
James Prescott Joule

Physicien anglais (Salford, près de Manchester, 1818-Sale, Cheshire, 1889).

Fils d'un brasseur, il reçut son instruction à la maison. Après avoir succédé à son père, il abandonna rapidement la direction de la brasserie pour se consacrer à la science et installa son laboratoire dans l'entreprise familiale. Il fut l'élève de John Dalton, qui l'associa à ses travaux sur les gaz et les vapeurs. À vingt ans, il commença une série de recherches personnelles sur l'électromagnétisme. Etudiant les électroaimants, il démontra que ceux-ci s'attirent par des forces proportionnelles au carré de l'intensité du courant et que cette dernière est simplement proportionnelle à la puissance chimique mise en jeu pour obtenir ce courant. Ce rapprochement l'amena à croire en une possibilité d'utiliser les électroaimants pour produire indéfiniment de la puissance mécanique, ce à quoi il dut renoncer. En 1838, il conçut un moteur électrique et, en 1840, il découvrit le phénomène de saturation magnétique.

L'étude des transformations de l'énergie

Joule se tourna alors vers l'étude de l'effet thermique de l'électricité. Il formula en 1841 la loi qui porte son nom, (tout comme le phénomène lui-même est appelé effet Joule), et qui énonce que la chaleur produite est proportionnelle à la résistance et au carré de l'intensité du courant. Pour l'établir, il observa la température de l'eau dans laquelle passait le conducteur, effectuant un petit nombre de mesures et relevant de très petites variations de température grâce à la précision de ses thermomètres. Telle fut constamment sa démarche expérimentale : éprouver par de petites séries de mesures une loi très simple, linéaire ou quadratique. La réception du résultat par la Royal Society ne fut guère encourageante.

Joule explora ensuite de manière systématique les relations entre les modes de production chimique d'un courant électrique et les effets thermiques. Cela revenait à chercher des équivalents à la chaleur dans le domaine chimique. Joule pensa à déplacer cette problématique en ne faisant plus dépendre le courant d'une réaction chimique mais en obtenant sa production par une voie mécanique. En 1842, il détermina, grâce à une expérience restée célèbre, l'équivalent mécanique de la calorie : il mesura l'échauffement d'un calorimètre à eau dans lequel tournaient des palettes entraînées par la chute de deux poids. Dans cette expérience, dont il ne rendit compte qu'en 1847 et qu'il réitéra jusqu'en 1849 en lui apportant d'incessants perfectionnements, le travail mécanique est directement transformé en chaleur par les frottements des palettes dans le liquide. La communauté scientifique a rendu hommage à Joule en donnant son nom à l'unité de mesure de travail mécanique, de quantité de chaleur et d'énergie du Système international d'unités. La calorie, unité de chaleur qui n'est plus légale en France, vaut 4,185 5 joules.

Contribution à la thermodynamique

En exposant ses résultats dans les milieux cultivés de Manchester, Joule livra aussi la conception de la chaleur à laquelle ses réflexions l'avaient conduit. Il avait pris parti pour la conception atomistique de la matière, dans laquelle la chaleur s'explique par l'agitation des atomes..À l'instar de Mayer, il procéda à l'étude de l'expansion et de la compression de l'air. Il vérifia que l'expansion d'un gaz qui ne s'accompagne pas d'une production de travail se fait à température constante. En se fondant sur la théorie cinétique des gaz, il interpréta la loi de Mariotte (1851) et calcula la vitesse moyenne des molécules gazeuses. William Thomson (lord Kelvin) l'encouragea à persévérer dans ses recherches et lui proposa d'étudier avec lui l'écart de comportement thermodynamique entre gaz réels et gaz parfaits. En 1852, les deux savants établirent, grâce à l'habileté expérimentale de Joule, que la détente lente d'un gaz réel à travers une paroi poreuse, donc à enthalpie constante, provoque un refroidissement de celui-ci (effet Joule-Thomson). En 1850, Joule avait été élu membre de la Royal Society. Mais il ne participa plus véritablement au développement de la thermodynamique, en bonne partie parce que sa faible formation mathématique ne lui permit pas de suivre des travaux qui, de plus en plus, en faisaient un usage poussé. Les nombreux mémoires publiés par Joule tout au long de sa carrière ont été réunis en 1884 sous le titre de Scientific Papers.