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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.