joule 1 PRÉSENTATION joule, unité de mesure de travail, d'énergie et de quantité de chaleur, de symbole J.

joule 1 PRÉSENTATION joule, unité de mesure de travail, d'énergie et de quantité de chaleur, de symbole J. Un joule équivaut au travail produit par une force de 1 newton (1 N) dont le point d'application se déplace de 1 mètre (1 m) dans la direction de la force. C'est le physicien britannique James Prescott Joule (1818-1889) qui, en étudiant la chaleur dégagée par les courants électriques dans les conducteurs, détermine pour la première fois avec une grande précision l'équivalent mécanique de la calorie, qui depuis porte son nom. Puis l'on découvre qu'il existe une équivalence entre l'énergie mécanique et la chaleur, c'est-à-dire que l'une peut être transformée en l'autre et vice versa dans la proportion de 4,18 J (mesure de la quantité de travail) pour 1 calorie (quantité de chaleur), autrement dit : 1 cal = 4,18 J. Cela est théorique car le processus de transformation réel s'accompagne toujours de pertes de rendement (frottements, etc.). Cette seconde observation est à l'origine de la découverte du deuxième principe de la thermodynamique. 2 EXPÉRIENCE DE JOULE Afin de vérifier l'équivalence entre le travail et la quantité de chaleur, et ainsi déterminer l'équivalent mécanique de la calorie, Joule réalise en 1842 l'expérience suivante : dans un récipient calorifugé contenant de l'eau est installé un agitateur à palettes, dont l'axe est relié par une poulie à une masse ; la descente de la masse d'une hauteur donnée provoque la rotation des palettes. Le travail du poids de la masse dans sa chute est transmis aux palettes et est transformé en chaleur (il provoque l'échauffement de l'eau). En mesurant l'augmentation de la température, Joule détermine la chaleur apportée et établit ainsi une équivalence. 3 LOI DE JOULE Cette loi thermodynamique spécifie que l'énergie interne d'un gaz parfait ne dépend que de sa température. Pour les gaz réels, un léger refroidissement se produit : c'est l'effet Joule-Thomson. D'après la loi de Joule, énoncée par James Joule en 1841, en électricité, l'énergie calorifique dégagée dans un conducteur par le passage d'un courant d'intensité constante est proportionnelle au carré de ce dernier, au temps de passage du courant et à la résistance du conducteur. 4 EFFET JOULE Joule étudie également les propriétés thermodynamiques des gaz et la relation de proportionnalité entre l'échauffement d'un conducteur parcouru par un courant électrique et l'intensité du courant. Au XIXe siècle, on reconnaît que le passage du courant dans les métaux ne s'accompagne pas d'un transport appréciable de matière, contrairement à ce qui se passe dans les électrolytes. Ainsi, on identifie les véhicules du courant aux électrons de faible masse que l'on vient de découvrir, d'autant plus qu'en chauffant les métaux ou en les bombardant par de la lumière ultraviolette, on sait en extraire des électrons. On conclut alors que les métaux présentent des électrons faiblement liés aux atomes. À la suite de Thomson et de Riecke, Drude suppose, en 1900, que ces électrons sont libres et qu'ils forment une sorte de gaz baignant les atomes métalliques ionisés. Comme les molécules d'un gaz, ces électrons sont animés d'un mouvement désordonné ; l'application d'un champ électrique provoque un mouvement d'ensemble des électrons (particules chargées). Les ions métalliques gênent ce mouvement : il se produit des chocs entre ions et électrons. Lors de ces chocs désordonnés, les électrons transfèrent aux ions une partie de leur énergie cinétique, qui est ainsi transformée en chaleur : c'est l'effet Joule. 5 UNITÉS DÉRIVÉES Le joule par kelvin (J/K) est l'unité de mesure de la capacité calorifique et de l'entropie, équivalant à l'augmentation de l'entropie d'un système recevant une quantité de chaleur de 1 J à la température constante de 1 K, lorsqu'aucun changement irréversible n'a lieu dans le système. Le joule par kilogramme-kelvin (J/kg.K) est l'unité de mesure de la chaleur massique d'un corps homogène. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.