5.5 La loi de Joule

a) échauffement d’une résistance

            En 1841, James Prescott Joule (1818-1889) place un fil conducteur dans un calorimètre. Ce dernier est essentiellement un thermos, rempli d'eau, et muni d'un thermomètre. Il fait passer un courant donné dans le fil; il remarque un certain taux d'échauffement du thermomètre. Ce taux d'échauffement est dû au fait, déjà connu depuis plus d'un siècle, que les fils conducteurs chauffent lorsqu'il y passe un courant électrique. Le taux d'échauffement est proportionnel à la puissance produite dans le calorimètre, ce qui veut dire, dans notre cas, produite par le fil conducteur. Il remarque que la puissance dégagée P

est proportionnelle au carré de l'intensité du courant I qui traverse son fil.

            Il reprend son expérience avec un fil de résistance R double. Il remarque que la puissance alors dégagée est

proportionnelle à la résistance du fil lorsque le courant est le même d'un fil à l'autre.

            La chaleur est alors mesurée en calories; Joule peut donc mesurer la quantité de calories produite par son fil conducteur lorsqu'il y circule un courant donné. Il semble donc qu'il y a une quantité qui est conservée lors de sa transformation, d'électrique en chaleur. Et Faraday avait déjà remarqué en 1833 que la pile électrique produit d'autant plus d'électricité qu'il s'y passe un grand nombre de réactions chimiques. Il y a donc, là également, une quantité qui semble être conservée lors de sa transformation, de chimique à électrique.

b) équivalent mécanique de la calorie

            Dans le cas des énergies mécaniques, cinétique et potentielle, leur somme est conservée, sait-on depuis déjà un long moment. Et il est connu depuis des siècles que la chaleur peut être produite par frottement; or la force de frottement est une force mécanique. En 1843, Joule produit une expérience similaire où il mesure la chaleur dégagée par une force de frottement mécanique donnée appliquée de telle sorte que le travail mécanique produit est calculable. Il montre alors que la quantité de chaleur produite est proportionnelle au travail mécanique fait. C'est donc qu'il y a conservation de l'énergie lorsqu'elle se transforme, de mécanique, en calorifique. La chaleur est une forme d'énergie. Et il calcule l'équivalent mécanique de la calorie.

            Joule est donc, en 1843, en mesure de déterminer la puissance, dégagée par un fil de résistance R parcouru par un courant I , non plus seulement en termes de chaleur dégagée par intervalle de temps, en calories par seconde, mais en termes de travail mécanique effectué par intervalle de temps, en watts, l'unité de puissance mécanique ainsi nommée à cause du travail de James Watt (1736-1819) sur la machine à vapeur.

c) transformations des énergies

            En 1847, Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) met de l'avant, comme hypothèse, le principe universel de conservation de l'énergie. L'énergie chimique peut se transformer en énergie électrique (dans le cas de la pile électrique) et vice-versa (dans le cas de l'électrolyse); et l'énergie chimique en énergie thermique; et l'énergie électrique en énergie thermique (dans le cas de l'effet Joule); et l'énergie mécanique en énergie thermique; et l'énergie mécanique en énergie électrique (comme nous verrons bientôt); et l'énergie électrique en énergie mécanique (comme dans le cas de la roue de Barlow). Et, de dire von Helmholtz, l'énergie totale est toujours conservée. Ce qui était loin d'être prouvé.