Liste des fournitures

• Un cylindre thermostatique
• Une poulie
• Une corde
• Une masse
• Un système de pales sur un axe
• Un liquide
• Un thermomètre

Étapes de réalisation

1. Rappelons que le principe de l'expérience de Joule est de transformer de l’énergie mécanique en énergie thermique.

2. On utilise un cylindre thermostatique, c'est à dire un cylindre qui permet d'isoler le liquide qui se trouve dans celui-ci, du reste de l'univers. C'est en fait un cylindre à double paroi, l'espace entre les parois est presque sous vide afin de limiter les transferts de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur du cylindre.
   
   Le cylindre est rempli d'un fluide (par exemple de l'eau)

3. On fait passer dans le cylindre un axe, dont une des extrémités ressort hors du cylindre.
   On a fixé à l'axe une série de pales.
   
   Un système mécanique à l'intérieur du cylindre permet de garder l'axe bien droit

4. On enroule une corde autour de la partie de l'axe qui sort du cylindre, de sorte que si on tire celle-ci il en résulte une rotation de l'axe (et donc des pales).

5. La corde est reliée à une masse et passe dans une poulie.

6. On connaît exactement la distance parcourue par la masse lorsqu'elle tombe.

7. Si on laisse tomber la masse, il en résulte une rotation des pales dans le cylindre.

8. Le frottement entre les pales et le fluide va conduire à une élévation de la température du fluide. On a donc créé de l'énergie thermique grâce à l'énergie mécanique cédée par la chute de la masse.

9. Lors d'une chute, la masse cède seulement une partie de son énergie au fluide, le reste de son énergie va lui servir à remonter (tel un yoyo à cause de la tension dans la corde). Elle va également perdre une partie de son énergie en remontant puisque les pales tournent encore (mais dans l'autre sens) et donc continuent à céder de l'énergie au fluide.

10. La masse ne remontera pas à la même hauteur que sa position initiale puisque elle n'a plus assez d'énergie.
    A chaque allers-retour elle perde de l'énergie qu'elle cède au fluide, elle remontera toujours un peu moins haut jusqu'à un moment ou elle ne remontera plus du tout. C'est à ce moment que toute son énergie mécanique aura été cédée au fluide et transformée en énergie thermique.

11. Pour connaître l'énergie cédée, il suffit de connaître la différence entre la valeur de l'énergie de la masse en sa position haute et lorsqu'elle est tout en bas à l'arrêt.
    
    Cette valeur correspond à la variation d'énergie potentielle et est égale à: Ep = masse * g * h
    où g est l'accélération due a champ de gravitation terrestre et h est la distance entre la position haute et la position basse.

12. En mesurant la température du fluide avant et après l'expérience, et en connaissant l'énergie cédée, on en conclu que:
    l'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un système d'une valeur fixée est proportionnel à la masse du système et à la variation de température. Le coefficient de proportionnalité s'appelle la chaleur spécifique et est différent selon le fluide.
    
    Q= C * masse * variation de température
    
    Où Q est la quantité de chaleur (= l'énergie cédée) et C la chaleur spécifique.

13. Exemple pratique:
    Si le fluide est de l'eau (chaleur spécifique = 4186) et a une masse de 1g=0,001kg.
    Si on utilise une masse de 1kg qui tombe de 1m, la valeur de l'énergie cédée est de 1 * 9,81 * 1 = 9,81 J
    
    La variation de température de l'eau sera donc défini par:
    variation de température = Q / ( C * masse) = 9,8,1 / (4186 * 0,001) = 2,34

Astuces et mises en garde

• Pour une même énergie cédée, l'élévation de température sera différente selon le fluide utilisé. L'eau par exemple a une chaleur spécifique élevée: il lui faut beaucoup d'énergie pour une faible élévation de température.
• L'expérience est extrèmement délicate! Les frottement de l'axe et de la poulie avec la corde rendent les effets quelque peu imprécis imprecis si on ne s'y prend pas correctement.

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