température (physique)

L'une des plus anciennes échelles de température a été imaginée en 1720 par le physicien allemand Gabriel Daniel Fahrenheit. Sur cette échelle, à la pression de 1 atm, la température de congélation de l'eau est de 32 °F et sa température d'ébullition est de 212 °F. La température en Celsius est liée à la température exprimée en Fahrenheits par la relation :

T (F) = 32 + 1,8 T (°C)

Le zéro absolu ne peut pas être atteint ; il est seulement approché. Des procédés spécifiques sont nécessaires pour atteindre de très basses températures, dites cryogéniques. La technique de refroidissement par évaporation appliquée à l’hélium liquide ordinaire (⁴He) et à son isotope-3 (³He), permet d’atteindre respectivement des températures de 0,71 K et de 0,21 K. L'obtention de températures encore plus basses peut être réalisée par démagnétisation adiabatique de substances paramagnétiques, comme l'alun de chrome. Cette méthode, initialement mise au point en 1937 par le chimiste américain William Giauque, permet d’obtenir des températures allant de 10^-2 K (pour des substances portant des moments magnétiques électroniques) à 10^-6 K (pour des substances portant des moments magnétiques nucléaires). Enfin, la technique de refroidissement laser couplé à un piège magnétique, développée dans le cadre de la réalisation de la condensation de Bose-Einstein dans un gaz atomique dilué, constitue la meilleure méthode d’approche du zéro absolu. Cette technique, mise au point en 1995 par une équipe de chercheurs américains du JILA (Institut pour l’astrophysique de laboratoire) à Boulder (campus de l’université du Colorado), permet de refroidir les atomes à la température extrême de 20 nK (20.10^-9 K, autrement dit 20 milliardièmes de degré Celsius au-dessus du zéro absolu). Ces atomes ultrafroids, qui se trouvent dans le même état quantique (même énergie, même impulsion, etc.), forment un état particulier de la matière appelé condensat de Bose-Einstein, dont les propriétés sont activement étudiées par de nombreux groupes de recherche à travers le monde.

La mesure des températures proches du zéro absolu pose toutefois des problèmes spécifiques. Les thermomètres à gaz peuvent uniquement être utilisés au-dessus du point de liquéfaction de l'hélium. Les températures plus basses font appel à des mesures électriques et magnétiques.

L’obtention de températures ultrabasses est motivée à la fois par des intérêts théoriques et pratiques. Du point de vue théorique, elle permet de vérifier les lois fondamentales de la thermodynamique et de la mécanique statistique qui rendent possible notamment l’analyse des réactions chimiques et des phénomènes quantiques. Du point de vue pratique, elle s’accompagne de l’apparition de propriétés remarquables telles que la superfluidité (absence de viscosité) ou la supraconductivité (résistivité électrique quasi nulle). En outre, la réalisation de condensats de Bose-Einstein dans divers nuages gazeux d’atomes alcalins ouvre la voie à des applications révolutionnaires notamment dans les domaines de l’optique et l’interférométrie atomiques, de la métrologie et de la nanotechnologie.

À l'exception des réactions explosives, les réactions chimiques les plus exothermiques libèrent une quantité de chaleur correspondant à des températures de l'ordre de 2 000 à 4 000 K. Depuis 1950, les plasmas, milieux fortement ionisés, ont permis d'atteindre des températures de l'ordre de 50 000 K. Ces températures sont principalement utilisées dans l'industrie pour le découpage des métaux et le traitement des matériaux réfractaires.

En laboratoire, on atteint des températures extrêmement élevées, de l'ordre de plusieurs millions de degrés, dans le but de réaliser des réactions de fusion thermonucléaire. Dans les étoiles, des températures de plusieurs millions de degrés sont choses courantes. D’après les cosmologistes, la température qui régnait dans l’Univers un milliardième de seconde après le big bang avoisinait 10 000 milliards de kelvins.