température (physique)

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Présentation

température (physique), grandeur physique qui mesure le degré de chaleur d'un corps ou d'un milieu.

Lorsque deux corps sont placés dans une enceinte adiabatique (voir transformation adiabatique), le corps le plus chaud cède de la chaleur au corps le plus froid, jusqu'à ce que les deux corps aient la même température (équilibre thermique). Les termes température et chaleur désignent deux notions distinctes : la température est une propriété thermodynamique du corps et mesure l'agitation microscopique de la matière (voir mécanique statistique) ; la chaleur est une forme d'énergie qui peut être échangée entre deux corps.

On peut mesurer la température d'un corps en observant le changement de l'une de ses propriétés spécifiques, telle la résistivité électrique. Ainsi, le thermomètre à mercure mesure la dilatation d'une colonne de mercure dans un capillaire en verre, la variation de la hauteur de la colonne étant reliée à la température. Dans le cas d'un gaz parfait placé dans une enceinte de volume constant, si l'on transfère de la chaleur au gaz, la pression augmente et le changement de la température peut être déterminé par la variation de pression, à l'aide de la loi de Gay-Lussac.

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Caractérisation de la température

La température d’un corps mesure l’agitation moyenne des particules qui le composent (atomes ou molécules). Elle permet ainsi de se faire une idée des forces qui assurent la cohésion du corps à l’échelle microscopique : si la température est élevée, les particules sont très agitées et les forces de cohésion sont donc faibles.

Au XIX^e siècle, la notion de température est approfondie pour améliorer le rendement des machines thermiques. En 1824, Sadi Carnot énonce son célèbre principe : la chaleur circule de la source ayant la plus haute température à celle ayant la plus basse température. Vingt ans plus tard, James Prescott Joule démontre que la chaleur est une forme d’énergie qui ne se conserve pas. La thermodynamique de cette fin de XIX^e siècle est marquée par la remarquable contribution de William Thomson alias lord Kelvin. Au début du XX^e siècle, Ludwig Boltzmann émet l’hypothèse que les propriétés des objets résultent des comportements microscopiques de la matière. Il donne ainsi naissance à la thermodynamique moderne, basée sur la mécanique statistique. Cependant, un paradoxe subsiste : si la température est déterminée par l’agitation des particules, elle ne peut s’appliquer qu’à un ensemble ; ainsi la température d’un atome isolé ne signifie pas grand-chose, c’est son mouvement par rapport aux autres atomes qui est mesuré. La température apparaît alors comme une grandeur statistique.

Par ailleurs, on constate que deux corps différents portés à la même température ne se comportent pas de la même manière. Par exemple deux objets de même dimension, l’un en fer et l’autre en porcelaine, portés à une température de 100 °C et laissés dans une pièce à 20 °C vont tous les deux se refroidir pour atteindre une température proche de 20 °C (la pièce va légèrement se réchauffer). Cependant, ils ne vont pas dégager la même quantité de chaleur pour se refroidir : tout dépend de leur capacité calorifique, qui est caractéristique de chaque matériau. Plus précisément, c’est le degré de liberté des atomes qui intervient dans ce phénomène : plus les atomes sont capables de se déplacer (par translation, vibration ou rotation), plus la capacité calorifique du corps sera importante. Il lui faudra alors perdre beaucoup de chaleur pour abaisser sa température d’un degré. D’autre part, les deux corps ne vont pas se refroidir à la même vitesse : ils n’ont pas la même conductivité thermique. Dans ce cas, c’est l’ordonnancement des atomes qui joue un rôle primordial : s’ils sont rangés de manière régulière, ils transmettront leur agitation thermique à leurs voisins de manière plus efficace, perdront plus rapidement de la chaleur et leur température diminuera d’autant plus vite. Cependant, cette approche thermodynamique est plus complexe ; les choses se compliquent notablement quand on sait que la capacité calorifique et la conductivité thermique dépendent elle-même de la température.

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Échelles de température

3.1

Échelle Kelvin

Inventée par le mathématicien et physicien britannique sir William Thomson Kelvin au XIX^e siècle, l’échelle Kelvin est l'échelle de température couramment employée dans les domaines scientifiques. Le kelvin (K), unité SI de température, est défini comme la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. Il mesure la température absolue, grandeur définie par la thermodynamique. La température théorique la plus basse que l'on puisse approcher est le zéro absolu, à savoir 0 K, ou - 273,16 °C.

3.2

Échelle centésimale et échelle Celsius

L'échelle centésimale a été inventée en 1743. Sur cette échelle, la température de congélation de l'eau est de 0 °C et sa température d'ébullition est de 100 °C sous pression atmosphérique. Parallèlement, l'échelle Celsius est introduite par l'astronome suédois Anders Celsius, et correspond pratiquement à l'échelle centésimale. L'échelle Celsius est l'échelle de température utilisée dans la vie courante. Le celsius (°C) est défini par la relation suivante :

T (°C) = T (K) - 273,16

Par conséquent, les écarts de température sont identiques à ceux de l'échelle Kelvin : par exemple, une variation de 5 K correspond à une différence de 5 °C.