1.

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.

2.

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.

3.

Échelles de température

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.

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.

3.

Échelle Fahrenheit

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)

4.

Températures extrêmes

1.

Basses températures et zéro absolu

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.

2.

Hautes températures

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.