JOULE (J. P.)


JOULE (J. P.)
JOULE (J. P.)

Joule compte parmi les plus importants fondateurs de la thermodynamique. Parvenu en 1843 à donner une formulation stricte du principe de la conservation de l’énergie, il entreprit de quantifier les relations entre chaleur et travail au moyen d’expériences très diverses d’une extraordinaire précision. Comparé à d’autres pionniers dans le domaine de la conservation de l’énergie, il ne paraît progresser qu’à pas comptés; mais il procura aux chercheurs les plus sûrs fondements expérimentaux dont ils avaient besoin dans les années 1840, et qui firent souvent défaut chez des penseurs plus brillants comme Julius R. Mayer et Hermann L. F. von Helmholtz.

L’arrière-plan social

James Prescott Joule naquit à Salford, près de Manchester; il était le deuxième des cinq enfants d’un brasseur fortuné. Son éducation fut confiée à des précepteurs, parmi lesquels se trouvait John Dalton, l’éminent chimiste de Manchester; encore tout jeune, il put se procurer, dans la maison paternelle, toutes les commodités propres à des travaux de recherche. Grâce à son père d’abord, puis, à partir de janvier 1842, par son affiliation à la Manchester Literary and Philosophical Society, il put pleinement participer à l’intense vie intellectuelle de la cité. La fréquentation des ingénieurs et des techniciens, nombreux à Manchester, marqua par-dessus tout ses débuts, et l’on conçoit que le truchement des problèmes techniques l’amena à formuler sa version du principe de la conservation de l’énergie au début des années 1840. En dépit de la réputation internationale dont il jouit à partir de 1850 environ, Joule se confina sa vie entière dans une sorte de retraite; il se tint à l’écart des cercles de la Royal Society, bien qu’il en devînt l’un des membres (fellow ) en 1849; il n’occupa ni chaire universitaire ni aucune position scientifique rémunérée, demeurant dans la région de Manchester jusqu’à sa mort, qui survint à Sale, dans le Cheshire, après quelque dix-sept ans de maladie.

L’équivalent mécanique de la chaleur

En janvier 1843, devant la Manchester Literary and Philosophical Society, Joule présenta, après J. R. Mayer (mai 1842), une formulation restreinte d’un principe de conservation concernant ce qu’on appellera bientôt l’énergie. Durant plus de cinq années d’expériences conduites sur des moteurs électriques, il s’était convaincu que la chaleur dégagée dans un circuit électrique et le travail d’un moteur alimenté par la même source étaient proportionnels aux quantités de zinc dissous dans les piles génératrices du courant électrique. Il en inférait que les effets calorifique et mécanique du courant étaient proportionnels entre eux; il ne restait qu’à mesurer le rapport constant reliant ces deux effets. En août 1843, Joule y était parvenu, quand il communiqua, à une réunion de la British Association for the Advancement of Science, les résultats de séries d’expériences effectuées sur les tout premiers types de dynamos; ayant mesuré le travail accompli en actionnant la dynamo et la chaleur dégagée dans le circuit où elle était disposée, il obtint une première valeur de l’équivalent mécanique de la chaleur (ou de J , comme on vint à le symboliser après sa mort); un travail de 838 pieds-livres était, selon ses conclusions, nécessaire pour élever de un degré Fahrenheit une livre d’eau. Dans le système métrique, cette valeur de J , c’est-à-dire 4,51 joules par calorie, est déjà assez proche de celle qui est admise aujourd’hui: 4,185 joules par calorie.

Joule avait été sans aucun doute bien inspiré d’aborder le problème en utilisant un agent de transmission aussi sûr que l’électricité. Il consacra les six années suivantes à mesurer l’équivalent mécanique de la chaleur par quantité de méthodes diverses, s’efforçant d’éliminer tout intermédiaire et démontrant que la valeur J est indépendante du procédé employé. Il obtint les résultats les plus précis en faisant tourner une roue à ailettes dans un récipient d’eau hermétique; c’est en rendant compte de ces mesures, en 1847, à la réunion de la British Association, à Oxford, que Joule se ménagea son appui le plus précieux, nouant les rapports scientifiques les plus étroits avec William Thomson. Le futur lord Kelvin était alors un jeune et brillant professeur de philosophie naturelle à l’université de Glasgow; les idées de Sadi Carnot, qui étaient presque demeurées lettre morte durant plus de vingt ans, l’avaient vivement marqué. Selon Carnot, le travail obtenu dans une «machine à feu» résultait essentiellement du passage de la chaleur de la chaudière à haute température au condenseur moins chaud, et il pouvait apparaître, en l’absence d’une publication complète des mémoires de Carnot, que cette vue impliquait l’obtention d’un travail sans consommation de chaleur; c’est seulement en 1850 que Thomson (concurremment avec Rudolph Clausius) assurera la conciliation attendue entre les thèses de Joule et celles de Carnot. À l’instar de Clausius, Thomson démontra que les hypothèses de Carnot touchant à la conservation de la chaleur dans le cycle de la machine à vapeur ne pouvaient pas s’accorder avec les principaux arguments de sa théorie, et par la suite il devint de tout cœur un «jouliste».

Joule n’avait guère attiré l’attention jusqu’au colloque de 1847, mais, à dater de cette époque, soutenu par Thomson, il apparut progressivement comme un savant de première importance. Sa communication, désormais classique, sur les expériences avec les roues à ailettes (grâce auxquelles il assigna à J la valeur de 4,16 joules par calorie) fut chaleureusement accueillie par la Royal Society en 1849; elle lui valut d’y être élu fellow l’année suivante. Néanmoins Joule était rien moins que satisfait de la précision de ses mesures et il continua de les parfaire jusqu’à ce que sa santé chancelante mît un terme à ses travaux, après 1872.

Autres travaux

Les aptitudes scientifiques de Joule le portaient nettement vers l’expérimentation plutôt que vers la théorie. C’est ainsi que son art de mener des expériences très délicates le conduisit à découvrir, en 1842, le phénomène de la magnétostriction; de même, en 1852, il parvint à mettre en évidence avec Thomson le léger refroidissement, aujourd’hui désigné par effet Joule-Thomson, qui survient dans la dilatation rapide des gaz, en raison du travail dépensé contre les faibles forces d’attraction qui relient les particules gazeuses. Toutefois, il est arrivé, à l’occasion, à Joule de donner quelques aperçus sur des conséquences assez générales de ses recherches. Par exemple, en 1847, dans une belle conférence populaire intitulée Matter, Living Force and Heat (Matière, force vitale et chaleur ), il envisagea les conséquences d’un principe de conservation généralisée de l’énergie – qui ne se limitait pas aux deux termes de la chaleur et du travail. Comme la plupart des tenants de la conservation de l’énergie, il comptait pour définitivement acquis que la chaleur n’est pas un fluide (le «calorique»), mais un mouvement des particules de la matière pondérable. C’est en accord avec cette conception qu’il adopta, en 1848, la théorie cinétique des gaz et calcula la première expression de la vitesse des particules gazeuses. Mais sa contribution dans ce domaine fut ignorée jusqu’à ce que Clausius, en 1857, remît en honneur la théorie cinétique.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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