Joule
Unité SI dérivée · grandeur : énergie, travail, quantité de chaleur
01 · Définition
Le travail d’une force d’un newton sur un chemin d’un mètre. À peu près ce qu’il faut pour lever une pomme de la table à hauteur d’épaule.
Une seule définition sert trois grandeurs à la fois : le travail, l’énergie et la quantité de chaleur. Cela ne tient pas à une négligence mais au fond des choses — toutes trois se convertissent l’une en l’autre sans perte ni reste. Jusqu’au milieu du dix-neuvième siècle la chaleur passait pour une substance particulière et se mesurait en calories, le travail en kilogrammètres, et le lien entre les deux échelles devait s’établir par l’expérience. Joule montra que ce lien est constant, et après lui les unités séparées devinrent inutiles : il resta un joule pour toutes les formes d’énergie, du poids soulevé à l’eau chauffée et au condensateur chargé.
Le travail apparaît quand une force agit le long du déplacement ; le couple, quand la force s’applique en travers du bras de levier et ne déplace rien. La dimension est dans les deux cas le kilogramme fois mètre carré par seconde carrée, mais on ne peut substituer les unités : le couple de serrage d’un boulon s’écrit en newtons-mètres et le travail en joules, et la norme fixe cette distinction. Une clé qui a serré un boulon à quarante newtons-mètres n’a presque pas fourni de travail — le boulon a tourné d’un quart de tour.
02 · Conversion
Joules, calories, kilowattheures
Les facteurs sont exacts par définition, mais la calorie demande de la prudence : il en existe plusieurs, et elles diffèrent à la troisième décimale. Le tableau retient l’internationale — quatre virgule un huit six huit.
La calorie alimentaire est en réalité une kilocalorie, mille petites calories, et l’étiquetage européen place toujours à côté d’elle la valeur en kilojoules. Mille cinq cents kilocalories de ration journalière font six virgule trois mégajoules. La calorie internationale est définie comme exactement quatre virgule un huit six huit joules, la thermochimique comme quatre virgule un huit quatre, et les deux se confondent parfois dans les calculs.
| Unité | Nom | Valeur | Où on le rencontre |
|---|---|---|---|
| J | joule, unité SI | 1 | physique et technique |
| kJ | kilojoule | 0,001 | étiquetage alimentaire |
| MJ | mégajoule | 1·10⁻⁶ | thermique |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | factures de chauffage |
| W·h | wattheure | 2,778·10⁻⁴ | batteries |
| kW·h | kilowattheure | 2,778·10⁻⁷ | le compteur électrique |
| cal | calorie internationale | 0,2388 | thermique, calculs anciens |
| kcal | kilocalorie, la calorie alimentaire | 2,388·10⁻⁴ | étiquettes des produits |
| Gcal | gigacalorie | 2,388·10⁻¹⁰ | factures de chaleur en Russie |
| erg | erg, système CGS | 1·10⁷ | physique avant le SI |
| BTU | unité thermique britannique | 9,478·10⁻⁴ | thermique anglophone |
| kgf·m | kilogrammètre | 0,102 | anciens calculs mécaniques |
Le joule, la wattseconde et le newton-mètre sont une seule et même chose. Le kilowattheure convient mieux à la facture d’électricité, parce que la puissance des appareils se mesure en watts et le temps en heures
03 · Ordres de grandeur
de l’électronvolt au séismeUn joule — une pomme levée d’un mètre
04 · Instruments de mesure
Avec quoi on mesure l’énergie
Le plus simple est de transformer toute énergie en chaleur et de la mesurer à l’échauffement d’une masse d’eau connue. C’est exactement ainsi que fonctionnait la première expérience de Joule, et ainsi que l’on contrôle aujourd’hui chauffages et combustibles — seuls changent les thermomètres et l’isolation.
Il multiplie le courant par la tension et accumule le résultat dans le temps. Le disque à induction comptait des tours, l’appareil électronique compte des échantillons, mais la grandeur est la même — des joules, seulement affichés en kilowattheures, dont chacun en vaut trois millions et demi.
Une plaquette noircie absorbe le rayonnement et s’échauffe de quelques millièmes de degré ; le thermomètre qu’elle contient donne l’énergie. C’est ainsi qu’on mesure la puissance d’un laser, le flux solaire à une station météo et le plus faible rayonnement fossile dans des montages cryogéniques.
La balle se loge dans une masse suspendue, et de la hauteur dont cette masse s’élève on calcule son énergie cinétique. La méthode est plus ancienne que l’unité elle-même et sert encore de contrôle de référence dans les laboratoires de balistique.
05 · Règles d’écriture
J majuscule, sans point
Le symbole vient d’un nom propre, il est donc majuscule, tandis que le nom dans le texte s’écrit en minuscule : le joule, mais J. Le symbole russe est Дж, de trois lettres, et aucun point ne le suit. Les préfixes se collent sans espace : kJ, MJ, GJ.
Donner un couple en joules est une erreur répandue et nuisible : les grandeurs diffèrent bien que la dimension coïncide. La calorie et le kilowattheure subsistent dans certains domaines par décision du Bureau international des poids et mesures, mais l’écriture scientifique préfère le joule. L’étiquetage alimentaire dans l’Union européenne doit indiquer les kilojoules en premier, et les kilocalories à côté, entre parenthèses ou sur une seconde ligne.
06 · Unités voisines
Le joule se tient au milieu d’une chaîne : le newton multiplié par le chemin le donne, et lui-même, rapporté au temps, donne le watt.
Dans les fiches voisines de Simetrium : newton et watt des deux côtés de la chaîne, calorie et kilowattheure comme unités hors SI de la même grandeur, électronvolt pour la physique des particules, et erg issu du système CGS.
07 · Section historique
Comment la chaleur cessa d’être une substance
Régnait la théorie d’une substance impondérable coulant du chaud vers le froid. Elle expliquait assez bien l’échauffement et le refroidissement, mais ne pouvait dire d’où venait la chaleur du frottement — et il s’en dégageait autant qu’on voulait.
Benjamin Thompson observait à Munich le forage des tubes de canon et remarqua : la chaleur se dégage tant que tourne le foret, sans aucune limite. Une substance se serait épuisée ; le travail, non.
Un brasseur de Salford suspendit des poids à un agitateur à palettes dans une cuve d’eau et mesura l’échauffement au centième de degré près. Le travail du poids qui descendait donnait une quantité de chaleur strictement déterminée — le facteur de conversion entre deux mondes.
Le nom fut proposé par Siemens au congrès de la British Association en 1882, et le Congrès international des électriciens le consacra en 1889, du vivant encore du savant. La Conférence générale des poids et mesures fit du joule l’unité de l’énergie, du travail et de la chaleur à la fois, et la calorie resta à la cuisine et aux vieux manuels.
L’unité où trois échelles se sont rejointes
L’expérience de Joule fut moins une découverte qu’une mesure : il obtint le facteur de conversion entre travail et chaleur et le porta à la troisième décimale sur des appareils où l’échauffement valait des fractions de degré. La précision vint de l’isolation et de la patience — la série fut répétée des années durant. Après la reconnaissance de la conservation de l’énergie, la calorie fut définie non plus par l’eau mais par le joule, et sa valeur actuelle — quatre virgule un huit six huit — est fixée, non mesurée. Depuis deux mille dix-neuf, le joule est en outre une grandeur exacte par construction : la constante de Planck est fixée par un nombre exprimé en joules-secondes, et le kilogramme en est déduit. L’unité d’énergie a cessé de dépendre de quelque substance que ce soit, y compris de l’eau dont l’échauffement fut jadis le point de départ.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux unités dérivées portant un nom propre et les unités hors système dont ni la technique ni la vie quotidienne ne se passent. Chacune a sa feuille : définition, conversion, instruments, règles d’écriture. En 16 langues.
Unités SI dérivées portant un nom propre
fiche du joule ouverteUnités de base du SI
en terre cuite — le kilogramme, le mètre et la seconde, dont le joule est composéUnités hors SI
en terre cuite — les unités d’énergie d’autres systèmesLangue de la fiche
16 langues. Le symbole J est international, mais les habitudes diffèrent : l’étiquette européenne place les kilojoules en premier, l’américaine ne donne que des calories.