JOULE JAMES PRESCOTT (1818-1889)

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[...]