James Prescott Joule

L'ordre se maintient manifestement dans l'univers... gouverné par la volonté souveraine de Dieu.

James Prescott Joule était un physicien, mathématicien et brasseur anglais, né à Salford, Lancashire. Joule a étudié la nature de la chaleur et a découvert sa relation avec le travail mécanique voir l'énergie. Cela a conduit à la loi de conservation de l'énergie, qui à son tour a conduit au développement du premier principe de la thermodynamique. L'unité SI dérivée d'énergie, le joule, porte son nom.

Il a travaillé avec Lord Kelvin pour développer une échelle de température thermodynamique absolue, qui en vint à s'appeler l'échelle Kelvin. Joule a également fait des observations de magnétostriction, et il a trouvé la relation entre le courant traversant une résistance et la chaleur dissipée, également appelée première loi de Joule. Ses expériences sur les transformations d'énergie ont été publiées pour la première fois en 1843.

Premières années

James Joule est né en 1818, fils de Benjamin Joule 1784–1858, un riche brasseur, et de sa femme, Alice Prescott, à New Bailey Street à Salford. Joule a été tutorié jeune homme par le célèbre scientifique John Dalton et a été fortement influencé par le chimiste William Henry et les ingénieurs de Manchester Peter Ewart et Eaton Hodgkinson. Il était fasciné par l'électricité, et lui et son frère expérimentaient en se donnant des chocs électriques l'un à l'autre et aux serviteurs de la famille.

En tant qu'adulte, Joule a géré la brasserie. La science était simplement un loisir sérieux. Vers 1840, il a commencé à enquêter sur la faisabilité de remplacer les moteurs à vapeur de la brasserie par le moteur électrique nouvellement inventé. Ses premiers articles scientifiques sur le sujet ont été contribués aux Annals of Electricity de William Sturgeon. Joule était membre de la London Electrical Society, établie par Sturgeon et d'autres.

Motivé en partie par le désir d'un homme d'affaires de quantifier l'économie du choix, et en partie par sa curiosité scientifique, il s'est fixé pour objectif de déterminer quel moteur primaire était plus efficace. Il a découvert la première loi de Joule en 1841, selon laquelle la chaleur qui est produite par l'action propre de tout courant voltaïque est proportionnelle au carré de l'intensité de ce courant, multiplié par la résistance à la conduction qu'il rencontre. Il en est venu à réaliser que brûler une livre de charbon dans un moteur à vapeur était plus économique qu'une coûteuse livre de zinc consommée dans une batterie électrique. Joule a capturé la sortie des méthodes alternatives en termes d'une norme commune, la capacité à lever une masse pesant une livre à une hauteur d'un pied, le pied-livre.

Cependant, l'intérêt de Joule s'est détourné de la question financière étroite pour celle de la quantité de travail pouvant être extraite d'une source donnée, ce qui l'a amené à spéculer sur la convertibilité de l'énergie. En 1843, il a publié les résultats d'expériences montrant que l'effet chauffant qu'il avait quantifié en 1841 était dû à la génération de chaleur dans le conducteur et non à son transfert d'une autre partie de l'équipement. Cela a été un défi direct à la théorie calorique qui affirmait que la chaleur ne pouvait être créée ni détruite. La théorie calorique avait dominé la pensée dans la science de la chaleur depuis son introduction par Antoine Lavoisier en 1783. Le prestige de Lavoisier et le succès pratique de la théorie calorique du moteur thermique de Sadi Carnot depuis 1824 ont assuré que le jeune Joule, travaillant en dehors du milieu académique ou de la profession d'ingénieur, avait une route difficile à parcourir. Les partisans de la théorie calorique ont facilement souligné la symétrie de l'effet Peltier-Seebeck pour affirmer que la chaleur et le courant étaient convertibles dans un processus au moins approximativement réversible.

L'équivalent mécanique de la chaleur

D'autres expériences et mesures avec son moteur électrique ont amené Joule à estimer l'équivalent mécanique de la chaleur à 4,1868 joules par calorie de travail pour élever la température d'un gramme d'eau d'un Kelvin. Il a annoncé ses résultats lors d'une réunion de la section chimique de la British Association for the Advancement of Science à Cork en août 1843 et a été accueilli par le silence.

Joule n'a pas été découragé et a commencé à chercher une démonstration purement mécanique de la conversion du travail en chaleur. En forçant l'eau à travers un cylindre perforé, il pouvait mesurer le léger chauffage visqueux du fluide. Il a obtenu un équivalent mécanique de 770 livres-pied force par unité thermique britannique 4 140 J/Cal. Le fait que les valeurs obtenues à la fois par des moyens électriques et purement mécaniques soient en accord à au moins un ordre de grandeur était, pour Joule, une preuve convaincante de la réalité de la convertibilité du travail en chaleur.

Partout où la force mécanique est dépensée, un équivalent exact de chaleur est toujours obtenu.

Joule a ensuite essayé une troisième route. Il a mesuré la chaleur générée par rapport au travail effectué pour comprimer un gaz. Il a obtenu un équivalent mécanique de 798 livres-pied force par unité thermique britannique 4 290 J/Cal. À bien des égards, cette expérience offrait la cible la plus facile pour les critiques de Joule, mais Joule a écarté les objections anticipées par une expérimentation intelligente. Joule a lu son document à la Royal Society le 20 juin 1844, mais son document a été rejeté pour publication par la Royal Society et il a dû se contenter de publier dans le Philosophical Magazine en 1845. Dans le document, il a été direct dans son rejet du raisonnement calorique de Carnot et d'Émile Clapeyron, un rejet en partie motivé par la théologie:

Je conçois que cette théorie ... s'oppose aux principes reconnus de la philosophie car elle conduit à la conclusion que vis viva peut être détruite par une disposition inappropriée de l'appareil: Ainsi M. Clapeyron en déduit que «la température du feu étant 1000 °C à 2000 °C plus élevée que celle de la chaudière, il y a une énorme perte de vis viva dans le passage de la chaleur de la fournaise à la chaudière.» Croyant que le pouvoir de détruire appartient au Créateur seul, j'affirme ... que toute théorie qui, lorsqu'elle est menée à bien, exige l'anéantissement de la force, est nécessairement erronée.

Joule adopte ici le langage de l'énergie vis viva, possiblement parce que Hodgkinson avait lu un examen du document de Ewart On the measure of moving force à la Literary and Philosophical Society en avril 1844.

Joule a écrit dans son document de 1844:

... la puissance mécanique exercée pour faire tourner une machine magnéto-électrique est convertie en chaleur produite par le passage des courants d'induction à travers ses bobines; et, d'autre part, que la puissance motrice du moteur électromagnétique est obtenue aux dépens de la chaleur due aux réactions chimiques de la batterie par laquelle il fonctionne.

En juin 1845, Joule a lu son document On the Mechanical Equivalent of Heat lors de la réunion de la British Association à Cambridge. Dans ce travail, il a rapporté son expérience la plus célèbre, impliquant l'utilisation d'un poids tombant, dans lequel la gravité fait le travail mécanique, pour faire tourner une pale de mélange dans un baril d'eau isolé qui augmentait la température. Il a maintenant estimé un équivalent mécanique de 819 livres-pied force par unité thermique britannique 4 404 J/Cal. Il a écrit une lettre au Philosophical Magazine, publiée en septembre 1845 décrivant son expérience.

En 1850, Joule a publié une mesure affinée de 772,692 livres-pied force par unité thermique britannique 4 150 J/Cal, plus proche des estimations du vingtième siècle.

Réception et priorité

Une grande partie de la résistance initiale au travail de Joule provenait de sa dépendance à des mesures extrêmement précises. Il affirmait pouvoir mesurer les températures à moins de ​1⁄200 de degré Fahrenheit 3 mK. Une telle précision était certainement rare en physique expérimentale contemporaine, mais ses détracteurs ont peut-être négligé son expérience dans l'art du brassage et son accès à ses technologies pratiques. Il était également soutenu par le fabricant d'instruments scientifiques John Benjamin Dancer. Les expériences de Joule ont complété les travaux théoriques de Rudolf Clausius, qui est considéré par certains comme le co-inventeur du concept d'énergie.

Joule proposait une théorie cinétique de la chaleur il croyait qu'elle était une forme d'énergie cinétique rotationnelle plutôt que translationnelle, et cela nécessitait un saut conceptuel: si la chaleur était une forme de mouvement moléculaire, pourquoi le mouvement des molécules ne s'éteindrait-il pas progressivement? Les idées de Joule exigeaient de croire que les collisions des molécules étaient parfaitement élastiques. Nous devrions également nous rappeler que l'existence même des atomes et des molécules n'était pas largement acceptée pendant encore 50 ans.

Bien qu'il puisse être difficile aujourd'hui de comprendre l'attrait de la théorie calorique, à l'époque elle semblait avoir des avantages clairs. La théorie réussie des moteurs thermiques de Carnot était également basée sur l'hypothèse calorique, et ce n'est que plus tard que Lord Kelvin a prouvé que les mathématiques de Carnot étaient tout aussi valides sans supposer un fluide calorique.

Cependant, en Allemagne, Hermann Helmholtz a pris connaissance du travail de Joule et du travail similaire de 1842 de Julius Robert von Mayer. Bien que les deux hommes aient été négligés depuis leurs publications respectives, la déclaration définitive de 1847 d'Helmholtz sur la conservation de l'énergie les a crédités tous les deux.

Également en 1847, une autre présentation de Joule à la British Association à Oxford a été suivie par George Gabriel Stokes, Michael Faraday, et le jeune prodige et franc-tireur William Thomson, qui allait devenir Lord Kelvin, qui venait d'être nommé professeur de philosophie naturelle à l'Université de Glasgow. Stokes était «enclin à être un Joulite» et Faraday était «très frappé par cela» bien qu'il nourrisse des doutes. Thomson était intrigué mais sceptique.

De manière inattendue, Thomson et Joule se sont rencontrés plus tard cette année-là à Chamonix. Joule a épousé Amelia Grimes le 18 août et le couple est parti en lune de miel. Enthousiasme conjugal non withstanding, Joule et Thomson ont arrangé de tenter une expérience quelques jours plus tard pour mesurer la différence de température entre le haut et le bas de la cascade de Sallanches, bien que cela s'avère par la suite impraticable.

Bien que Thomson sente que les résultats de Joule exigeaient une explication théorique, il s'est retiré dans une défense énergique de l'école Carnot-Clapeyron. Dans son compte rendu de 1848 de la température absolue, Thomson a écrit que «la conversion de la chaleur ou du calorique en effet mécanique est probablement impossible, certainement undiscovered» – mais une note en bas de page signalait ses premiers doutes sur la théorie calorique, se référant aux «très remarquables découvertes» de Joule. Surprenant, Thomson n'a pas envoyé à Joule une copie de son document, mais quand Joule l'a finalement lu, il a écrit à Thomson le 6 octobre, affirmant que ses études avaient démontré la conversion de la chaleur en travail, mais qu'il était prévu de poursuivre les expériences. Thomson a répondu le 27, révélant qu'il planifiait ses propres expériences et espérait une réconciliation de leurs deux points de vue. Bien que Thomson n'ait mené aucune nouvelle expérience, au cours des deux années suivantes il est devenu de plus en plus insatisfait de la théorie de Carnot et convaincu celle de Joule. Dans son document de 1851, Thomson était disposé à aller pas plus loin qu'un compromis et a déclaré «toute la théorie de la puissance motrice de la chaleur est fondée sur deux propositions, dues respectivement à Joule, et à Carnot et Clausius».

Dès que Joule a lu le document, il a écrit à Thomson avec ses commentaires et questions. Ainsi a commencé une collaboration fructueuse, bien que largement épistolaire, entre les deux hommes, Joule menant des expériences, Thomson analysant les résultats et suggérant d'autres expériences. La collaboration a duré de 1852 à 1856, ses découvertes incluant l'effet Joule-Thomson, et les résultats publiés ont beaucoup contribué à amener l'acceptation générale du travail de Joule et de la théorie cinétique.

Théorie cinétique

La cinétique est la science du mouvement. Joule était un élève de Dalton et il n'est pas surprenant qu'il ait appris une conviction ferme dans la théorie atomique, bien qu'il y ait eu beaucoup de scientifiques de son époque qui étaient encore sceptiques. Il avait également été l'une des rares personnes réceptives au travail négligé de John Herapath sur la théorie cinétique des gaz. Il a également été profondément influencé par l'article de Peter Ewart de 1813 On the measure of moving force.

Joule a perçu la relation entre ses découvertes et la théorie cinétique de la chaleur. Ses carnets de laboratoire révèlent qu'il croyait que la chaleur était une forme de mouvement rotationnel plutôt que translationnel.

Joule ne pouvait pas résister à trouver des antécédents de ses points de vue chez Francis Bacon, Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson Count Rumford et Sir Humphry Davy. Bien que ces points de vue soient justifiés, Joule a continué à estimer une valeur pour l'équivalent mécanique de la chaleur de 1034 livres-pied à partir des publications de Rumford. Certains auteurs modernes ont critiqué cette approche au motif que les expériences de Rumford ne représentaient en aucun cas des mesures quantitatives systématiques. Dans l'une de ses notes personnelles, Joule soutient que la mesure de Mayer n'était pas plus précise que celle de Rumford, peut-être dans l'espoir que Mayer n'avait pas anticipé son propre travail.

Joule a été attribué d'avoir expliqué le phénomène du flash vert du coucher de soleil dans une lettre à la Manchester Literary and Ph