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James Prescott Joule

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Pour les articles homonymes, voirPrescottetJoule (homonymie).

James Prescott Joule
Fonctions
Président
Manchester Literary and Philosophical Society
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Président
Manchester Literary and Philosophical Society
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Président
Manchester Literary and Philosophical Society
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Président
Manchester Literary and Philosophical Society
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Secrétaire(d)
Manchester Literary and Philosophical Society
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Biographie
Naissance
Décès
Voir et modifier les données sur Wikidata(à 70 ans)
SaleVoir et modifier les données sur Wikidata
Sépulture
Brooklands(en)Voir et modifier les données sur Wikidata
Nationalité
Formation
Activité
Père
Benjamin Joule(d)Voir et modifier les données sur Wikidata
Mère
Alice Prescott(d)Voir et modifier les données sur Wikidata
Conjoint
Amelia Grimes(d)Voir et modifier les données sur Wikidata
Autres informations
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Maître
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Œuvres principales
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James Prescott Joule,né leàSalford,près deManchester(Angleterre) et mort leàSale(Angleterre), est unphysicienanglais.

Son étude sur la nature de lachaleuret sa découverte de la relation avec letravail mécaniquel'ont conduit à la théorie de laconservation de l'énergie(lapremière loi de la thermodynamique). Il a également énoncé une relation entre lecourant électriquetraversant unerésistanceet la chaleur dissipée par celle-ci, appelée depuis leXXesièclelaloi de Joule.Enfin il a travaillé avecLord Kelvinpour développer l'échelle absolue detempératureet a étudié lamagnétostriction.En1850,il devient membre de laRoyal Society.En1852,il est lauréat de laRoyal Medalet, en1870,il reçoit lamédaille Copley.Dans leSystème international,l'unité de l'énergie et de la quantité de chaleur[1]porte son nom: lejoule.

Biographie

Jeunesse

Fils du brasseur Benjamin Joule (1784-1858), James Prescott Joule est éduqué à domicile jusqu'en1842,date à laquelle il est envoyé avec son frère aîné pour étudier à laManchester Literary and Philosophical Society,où il reçoit notamment l'enseignement deJohn Dalton,un de ses professeurs qui va marquer sa vie professionnelle. Les deux frères étudient deux ans lagéométrieet l'arithmétiqueavant que Dalton ne soit forcé de prendre sa retraite en raison d'unAVC.Cependant l'influence de Dalton fut décisive, de même que celle de son associé le chimisteWilliam Henryet des ingénieurs de ManchesterPeter EwartetEaton Hodgkinson.John Daviesprend 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[2].

Joule travaille ensuite dans la brasserie familiale et y prend un rôle actif jusqu'à la vente de l'usine en 1854. C'est également cette année que sa femme décède après six ans de mariage, lui laissant leurs jeunes enfants à charge. La science n'est alors pour lui qu'un loisir mais il commence rapidement à étudier la faisabilité du remplacement de lamachine à vapeurde la brasserie par lemoteur électriquequi vient d'être inventé. En 1838, il écrit sa première publication scientifique dansAnnals of electricity,le journal scientifique créé parWilliam Sturgeon,collègue de Davies. Il découvre l'effet Jouleen 1840[3]et espère une publication par la Royal Society, mais découvre, qu'il est très peu considéré par celle-ci en raison de son origine provinciale et de sa formation scientifique décousue. Il deviendra seulement membre de la Royal Society 10 ans plus tard, en 1850. 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[2].

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 Grove[4],un des premiers modèles de piles électriques[5].Le concept detravail économique[6]de Joule est la capacité d'élever une masse d'une livre de unpied,lepied-livre[7],[2].

Joule était influencé par les idées deFranz Aepinuset tenta d'expliquer les phénomènes électrique et magnétique en termes d'atomes entourés par un « éther calorifique en état de vibration »[2].

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 dechaleurdans le matériauconducteuret non de son transfert depuis une autre partie du matériel[8].Cela constituait une remise en cause directe de lathéorie du caloriquequi supposait que la chaleur ne pouvait ni être créée ni être détruite et qui dominait le débat scientifique depuis son introduction parAntoine Lavoisieren 1783. Le prestige de Lavoisier et les succès pratiques de la théorie du calorique acquis parSadi Carnotà propos desmachines thermiquesdepuis 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 effetsPeltieretSeebeckpour prétendre que chaleur et courant étaient mutuellement convertibles, au moins approximativement, par un processusréversible[2].

L'équivalent mécanique de la chaleur

James Joule.
L'appareil de Joule (1845).
L'appareil ayant servi dans l'expérience de Joulepour mesurer l'équivalent mécanique de la chaleur.

Joule écrit dans son article de 1843:

«... la puissance mécanique employée pour faire tourner une machine électro-magnétique estconvertie en chaleurqui provient du passage des courants d'induction à travers ses bobines; et, d'un autre côté, la puissance motrice du moteur est obtenue aux dépens de la chaleur de la réaction chimique de la batterie grâce à laquelle il fonctionne. »

Joule adopte ici le terme deliving forceouvis 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[9].

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'undegré Fahrenheit[10].Il annonce ces résultats à une réunion de la section Chimie de laBritish Association for the Advancement of ScienceàCorken 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 échauffementvisqueuxdu fluide. Il obtient alors l'équivalent de 770pied-livre/BTU(soit 4,14J/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)[11].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 laRoyal Societyet il doit se contenter d'une publication dans lePhilosophical Magazine.

Dans cet article il remet directement en cause la théorie calorique de Carnot etÉmile Clapeyronmais ses motivations théologiques sont aussi évidentes:

« Je conçois que cette théorie est… opposée aux principes reconnus de la philosophie parce que lavis vivapeut être détruite par une mauvaise utilisation de l'appareil: ainsi M. Clapeyron tire la conclusion que « la température du feu étant1 000à2 000°Csupérieure à celle de la chaudière, il y a une énorme perte devis vivadans le passage de la chaleur du foyer à la chaudière ». Croyant que la puissance de détruire revient à Dieu seul; j'affirme… que toute théorie, qui une fois développée, nécessite l'annihilation de forces est forcément erronée. »

En 1845, Joule lit son articleOn the mechanical equivalent of heatà une réunion de laBritish AssociationàCambridge[12].Il y relate son travail le plus connu, utilisant une masse tombante pour faire tourner uneroue à aubesdans 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[13].

En 1852, Joule et William Thomson (plus tard Lord Kelvin) découvrent que lorsqu'un gaz se détend de façonadiabatique,la température du gaz chute. Ce phénomène a été appelé «effet Joule-Thomson» et a été utilisé pour construire une grande industrie du froid au19esiècle.

Travaux de Joule

Notes et références

(en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«James Prescott Joule»(voir la liste des auteurs).
  1. ↑Bureau International des Poids et Mesures
  2. ↑abcdeteSmith (2004)
  3. ↑Joule, J.P. (1841) "On the heat evolved by metallic conductors of electricity"Philosophical Magazine,19,260;Scientific Papers65
  4. ↑William Robert Groveétait alors sur le point de donner la première expression générale de la conservation de l'énergie. Ce qu'il fit en 1844.
  5. ↑Smith (1998)p.60
  6. ↑economical duty, en anglais
  7. ↑Cette unité correspond à une quantité d'énergie. L'unité moderne du Système international est lejoule:1 pied-livre = 1,356 joule.
  8. ↑Joule, J.P. (1843)Philosophical Magazine,23,263;Scientific Papers123
  9. ↑Joule,On the mechanical equivalent of heat,1849 (lire en ligne).
  10. ↑L'unité ici utilisée par Joule équivaut à5.3803×10−3J/calorie.L'approximation de Joule était donc de 4,51J/cal,à comparer avec la valeur acceptée actuellement 4,186 0J/cal(M.W. Zemansky (1968)Heat and Thermodynamics,5thed.,p.86).
  11. ↑(en)Joule, J.P. (1845) "On the rarefaction and condensation of air"Philosophical Magazine,Scientific Papers172
  12. ↑Joule, J.P. (1845) "On the Mechanical Equivalent of Heat",Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect,p.31, read before the British Association at Cambridge, June
  13. ↑(en)James Prescott Joule, «On the Mechanical Equivalent of Heat»,Philosophical Transactions of the Royal Society,vol.140,‎,p.61-82(ISSN0261-0523,e-ISSN2053-9223,DOI10.1098/rstl.1850.0004,JSTOR108427,Bibcode1850RSPT..140...61P,S2CID186209447).

Voir aussi

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Sources et bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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