Nous nous retrouvons cette semaine pour vous présenter l’épisode 12 sur l’histoire de l’électricité : Loi sur le dégagement de la chaleur.
Fils de brasseur, James Prescott Joule reçoit une éducation familiale avant d’étudier à la Manchester Literary and Philosophical Society et y étudie la géométrie et l'arithmétique, et se fascine pour l'électricité qu'il expérimente avec son frère en se donnant mutuellement des chocs électriques.
Il travaille ensuite dans la brasserie familiale et la science n'est alors pour lui qu'un loisir.
Il décide d’étudier la possibilité du remplacement de la machine à vapeur de la brasserie par le moteur électrique qui vient tout juste d’être inventé et en 1840, découvre l'effet qui portera son nom qu’il espère voir être publié par la Royal Society et s’aperçoit hélas, qu'il est considéré comme un simple provincial.
Cet effet, que produit une livre de charbon dans une machine à vapeur, produit cinq fois plus de travail qu'une livre de zinc consommée dans une des premières de piles électriques.
Le concept de travail économique de Joule est la capacité d'élever une masse de 453,6 gr (1 livre) d’une hauteur de 30,48 cm (1 pied), soit 1,355 817 948 331 400 4 (1 joule), le pied-livre.
Il publie en 1843 ses résultats expérimentaux montrant que l'effet thermique est dû à la génération de chaleur dans un conducteur et non de son transfert depuis une autre partie de ce matériel.
Cela constituera une remise en cause de la théorie du calorique qui supposait que la chaleur ne pouvait, ni être créée, ni être détruite et qui dominait alors le débat scientifique depuis 1783. Le prestige de certains physiciens et leurs succès sur la théorie du calorique acquis depuis 1824 rendra difficile l'acceptation des théories de Joule.
En 1843 Joule écrit : « ... la puissance mécanique employée pour faire tourner une machine électro-magnétique est convertie en chaleur qui 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 alors le terme de living force ou vis viva (Force vive, énergie).
D'expériences en mesures, il parvient à considérer l'équivalent mécanique de la chaleur par la conversion suivante : 838 pieds-livres de travail sont nécessaires pour élever la T° d'une livre d'eau d'un degré Fahrenheit.
Têtu, Joule cherche à démontrer purement mécaniquement 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 du fluide. Il obtient alors l'équivalent de 770 pied-livre/British Thermal Unit (BTU) soit 4,14 J/cal.
Il essaiera une autre branche (la mesure de la chaleur générée lors d'un travail de compression d'un gaz) et obtiendra l'équivalent mécanique de 823 pied-livre/BTU (4,43 J/cal)
Le fait, que les valeurs sont aussi bien électriquement que mécaniquement quasiment identiques, est la preuve de la convertibilité du travail en chaleur.
En 1850, Il publie une mesure plus fine de 772,692 pieds-livres/BTU (4,159 J/cal), encore plus proches des valeurs actuelles.
Joule, travaillât hors des milieux académiques et de l'ingénierie, et eut toutes les peines du monde à faire accepter sa théorie. Il ne devint qu’en 1850, membre de la Royal Society.
Cet expérimentateur de génie et créateur de machines d'une précision redoutable n'occupa jamais de chaire universitaire, ni de poste scientifique rémunéré.
Et dans le Système international, l'unité de l'énergie et de la quantité de chaleur porte le nom de « Joule » et s’exprime :
1 Calorie = 4,185 5 joules
1 Thermie (1 million de calorie) = 4 185 500 joules.
1 kilo Watt/heure = 3 600 000 joules
1 Watt/seconde) = 1 joule.
1 Kilogrammètre = 9,806 65 joules
