Joule
James Prescott Joule dirigeait la brasserie familiale près de Manchester et faisait ses expériences chez lui. En 1845, il plongea dans un récipient d’eau un agitateur à palettes. Deux poids suspendus à des cordons le faisaient tourner. Les poids descendaient, les palettes tournaient, l’eau s’échauffait.
L’échauffement était minuscule, une fraction de degré. Joule le mesurait avec des thermomètres sur lesquels il lisait le centième de degré. L’expérience montrait que le travail et la chaleur sont une même chose sous deux formes. Aujourd’hui, le travail, la chaleur et l’énergie électrique ont une seule unité, le joule. Un joule est le travail d’une force d’un newton sur un trajet d’un mètre. C’est ce qu’il faut pour soulever une pomme d’un mètre.
| Notation | J |
| Définition | newton-mètre · N·m · kg·m²·s⁻² · watt-seconde |
| Valeurs de référence | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Introduite | 1889, Congrès international des électriciens · pour la chaleur, CGPM 1948 |
| Normes | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Valeurs typiques | 1 J — une pomme soulevée d’un mètre · 400 kJ — manger une pomme · 4,184 GJ — une tonne de TNT |
01 · Définition
Un newton sur un mètre de trajet
Le joule est le travail d’une force d’un newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force. En unités de base du SI, c’est un kilogramme mètre carré par seconde carrée.
La même unité mesure toute énergie : cinétique, thermique, électrique, chimique. Un watt pendant une seconde, c’est aussi un joule. L’énergie passe d’une forme à l’autre et la somme reste la même. C’est exactement ce qu’a montré l’expérience de Joule.
Combien de joules coûte une levée
On soulève un objet du sol jusqu’à la hauteur fixée par le curseur. Le remplissage violet de la règle est le trajet parcouru. Le pointillé marque un mètre. Le travail vaut le poids multiplié par la hauteur et devient la réserve d’énergie de l’objet. Si on le lâche, les mêmes joules se libèrent quand il frappe le sol.
Une seule grandeur, trois habitudes. Les chimistes et les diététiciens comptent en calories : une calorie chauffe un gramme d’eau d’un degré et vaut 4,184 J. Les électriciens comptent en kilowattheures : un appareil d’un kilowatt consomme 3,6 MJ en une heure. Les physiciens écrivent des joules. Sur les emballages alimentaires figurent souvent les deux nombres, kcal et kJ.
Combien de chutes de poids pour chauffer l’eau d’un degré
Deux poids pendent à des cordons passés sur des poulies. Les cordons sont enroulés sur un tambour qui fait tourner un agitateur dans un récipient de cuivre rempli d’eau. Les poids descendent de 1,6 m, les palettes brassent l’eau et elle s’échauffe. Puis on remonte les poids, l’agitateur étant découplé. À droite, un thermomètre sous une loupe, gradué au 0,01 K. Dessous, deux barres : en violet le travail des poids, en orange la chaleur passée dans l’eau. La partie grise, ce sont les pertes par frottement dans les poulies et la chaleur partie dans la pièce. Le bouton « Lâcher » libère les poids une fois, « 20 fois » d’affilée, comme chez Joule.
Lâchez les poids plusieurs fois et regardez de combien l’eau s’échauffe.
02 · Conversion
| Unité | Valeur | Où on le rencontre |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
La « calorie » alimentaire des emballages est une kilocalorie, 4,184 kJ.
Un kilowattheure, c’est 3,6 millions de joules. C’est à peu près ce que consomme une bouilloire pour faire bouillir un litre d’eau dix fois.
L’électronvolt est l’énergie d’un électron qui a traversé une différence de potentiel d’un volt. On s’en sert pour les atomes et les photons.
03 · Ordres de grandeur
04 · Instruments de mesure
05 · Règles d’écriture
06 · Unités voisines
07 · Section historique
Il existe plusieurs calories, toutes différentes. La thermochimique vaut exactement 4,184 J. L’internationale, issue des tables de la vapeur d’eau, vaut exactement 4,1868 J. La calorie à quinze degrés, qui chauffe un gramme d’eau de 14,5 à 15,5 °C, vaut environ 4,1855 J. L’écart est inférieur à un pour cent, mais il se voit dans un calcul précis.
C’est pourquoi, en 1948, la Conférence générale des poids et mesures a décidé de mesurer la chaleur en joules et de laisser la calorie au passé. Le joule est défini par le kilogramme, le mètre et la seconde et ne dépend pas des propriétés de l’eau. L’expérience de Joule lui-même donnait 772 pieds-livres par unité thermique britannique, soit environ 4,15 J par calorie. C’est à moins d’un pour cent de la valeur actuelle.
Catalogue des grandeurs
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