La température est liée à la sensation que nous éprouvons lorsque nous touchons certains objets. Cette sensation nous permet de les classer en objets froids, par exemple un glaçon, et en objets chauds, par exemple une tasse de café bouillante. Dans ce chapitre, nous allons examiner de plus près ce que l’on entend par température en physique. Nous allons expliquer :
- Le concept de température
- Ce que sont les thermomètres
- Quelles sont les échelles de température les plus courantes
- Comment convertir entre les différentes échelles de température
- Qu’est-ce que le zéro absolu
Concept de température
La température nous permet de connaître le niveau d’énergie thermique d’un corps. Les particules d’un corps se déplacent à une certaine vitesse, de sorte que chaque particule possède une certaine énergie cinétique. La valeur moyenne de cette énergie cinétique <Ec> est directement liée à la température du corps. Ainsi, plus l’énergie cinétique moyenne des particules est élevée, plus la température est élevée, et plus l’énergie cinétique moyenne est faible, plus la température est basse.
La température est une grandeur scalaire qui mesure la quantité d’énergie thermique d’un corps. Dans le cas des gaz, sa valeur est proportionnelle à l’énergie cinétique moyenne des molécules, selon l’expression :
Où :
- Température T : Son unité de mesure dans le système international est le Kelvin ( K )
- Constante universelle k : C’est une constante égale pour tous les gaz. Son unité de mesure dans le système international est le kelvin par joule ( K/J )
- Énergie cinétique moyenne des molécules de gaz <Ec> : C’est la valeur moyenne de l’énergie cinétique des molécules de gaz. Son unité de mesure dans le système international est le Joule ( J )
Notez que, contrairement à d’autres grandeurs comme la vitesse ou l’accélération, la température n’est pas une grandeur mécanique mais statistique.
La distribution des vitesses des particules d’un gaz (et donc la distribution de l’énergie cinétique de chaque particule) , est régie par la loi de distribution de Maxwell. Dans l’image suivante, vous pouvez avoir une idée qualitative de l’effet d’une augmentation de la température sur les molécules d’un gaz.
Pour une même substance, plus la température est élevée, plus la vitesse des particules qui la composent est grande. De même, dans chaque graphique, vous pouvez voir comment plus la température est élevée, plus la gamme des vitesses pouvant être atteintes est grande en raison de la distribution de Maxwell. Par exemple, dans le premier graphique, vous pouvez voir comment la plupart des particules ont des vitesses faibles (leurs valeurs sont concentrées près de l’origine des coordonnées) et au fur et à mesure que la température augmente, la concentration de la vitesse des particules se distend.
D’autre part, lorsque nous mettons deux corps en contact, un échange d’énergie thermique a lieu : la température circule de celui qui a la température la plus élevée vers celui qui a la température la plus basse. Si on laisse passer suffisamment de temps, les deux températures s’égalisent. Ainsi, lorsque nous touchons un corps qui est à une température inférieure à la nôtre, nous ressentons du froid, et s’il est à une température supérieure, nous ressentons du chaud. La raison est précisément cet échange d’énergie thermique entre notre doigt et le corps en question.
Comment mesure-t-on la température ?
La température est une grandeur statistique, on ne peut donc pas la mesurer directement. Pour la mesurer, nous utilisons diverses quantités qui varient avec elle, comme la hauteur d’une colonne de mercure, la résistance électrique ou le volume et la pression d’un gaz. Ces grandeurs sont appelées grandeurs thermométriques.
Pour mesurer la température, nous utilisons des thermomètres. Un thermomètre est un appareil qui nous permet de relier une certaine quantité thermométrique à la température.
Types de thermomètres
Il existe différents types de thermomètres selon la grandeur physique mesurée, qui varie avec la température. Voici une liste de quelques-unes des principales d’entre elles. Le nom des thermomètres et une brève description sont indiqués en italique.
- Dilatation basée
- Gaz
- Volume change : thermomètre à gaz à pression constante. Le volume du gaz varie avec la température. Ils sont très précis et sont généralement utilisés pour l’étalonnage d’autres thermomètres
- Changement de pression : thermomètre à gaz à volume constant. La pression du gaz varie avec la température. Ils sont très précis et sont généralement utilisés pour l’étalonnage d’autres thermomètres
- Liquides
- Colonne de mercure : thermomètre à mercure. La hauteur de la colonne de mercure varie en fonction de la température. Sa commercialisation et son utilisation sont interdites dans certains pays comme l’Espagne
- Colonne d’alcool colorée : thermomètre à alcool. La hauteur de la colonne d’alcool coloré varie en fonction de la température. Il a été le premier à être créé
- Solides
- Changement de longueur : Thermomètre bimétallique. Constitué de deux plaques de métaux différents reliées entre elles de manière rigide. L’ensemble se plie en arc de cercle proportionnellement à la variation de la température. Cela est dû au fait que chaque plaque a un coefficient de dilatation différent et que les changements de température provoquent des changements différents dans leurs longueurs
- Gaz
- Selon les propriétés électriques
- Résistance
- Semiconducteur : Thermistance. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui se comportent comme des conducteurs ou des isolants en fonction de leur température. Cela en fait des appareils pour mesurer la température
- Platine : thermomètre en platine. La résistance électrique du platine varie linéairement avec la température
- Effet thermoélectrique
- Thermocouple : C’est une paire d’épissures (soudures) de deux fils conducteurs de métaux dissemblables. L’une des jonctions est maintenue à une température de référence constante. La force électromotrice générée dépend de la différence de température entre les soudures
- Résistance
- Rayonnement infrarouge
- Thermomètre infrarouge : Les corps chauds émettent de la chaleur sous forme de rayonnement électromagnétique, capté par ce type de thermomètre
- Pyromètre optique : Ils sont normalement utilisés pour mesurer les températures supérieures à 700 °C. Ils sont basés sur le changement de couleur avec lequel les objets chauds brillent. Du rouge foncé au jaune, atteignant presque le blanc vers 1300º C
Échelles de température
La température est mesurée indirectement par des grandeurs thermométriques. Comme nous le verrons, nous utiliserons les valeurs de ces quantités dans certains états fixes pour étalonner les thermomètres, établissant ainsi une échelle. Des exemples de ces états fixes sont la congélation ou l’ébullition de l’eau.
Il existe trois grandes échelles pour mesurer la température :
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Regardons le processus pour chaque échelle particulière.
Échelle centigrade ou Celsius
- Le point de congélation normal de l’eau se voit attribuer une valeur de 0 sur le thermomètre
- Le point d’ébullition normal de l’eau se voit attribuer une valeur de 100 sur le thermomètre
- Cette plage est divisée en 100 parties égales. Chacun d’entre eux est appelé degré Celsius ( ºC )
Échelle Fahrenheit
- Le point de congélation normal de l’eau se voit attribuer une valeur de 32 sur le thermomètre
- Le point d’ébullition normal de l’eau se voit attribuer une valeur de 212 sur le thermomètre
- Cette plage est divisée en 180 parties égales. Chacun d’entre eux est appelé un degré Fahrenheit ( ºF )
Kelvin, absolu ou échelle de Kelvin
C’est l’échelle utilisée dans le système international d’unités. Pour définir l’échelle absolue, nous allons d’abord définir la température zéro absolu et le point triple de l’eau.
Température zéro absolu
C’est l’état de température le plus bas qu’un corps puisse avoir. Dans cet état, le mouvement des atomes et des molécules qui composent le corps serait nul. C’est une température théorique qui ne peut être atteinte en pratique.
Le point triple de l’eau
Le point triple de l’eau est le couple température-pression dans lequel l’eau coexiste à l’état solide, liquide et gazeux. Plus précisément, la température serait de 0,01 ºC et la pression de 611,73 Pa.
Processus
- La plus basse température qui puisse exister, le zéro absolu, se voit attribuer la valeur 0 sur le thermomètre
- La valeur 273.16 est attribué au point triple de l’eau
- La taille des degrés Kelvin correspond aux degrés Celsius
Le Kelvin est l’unité de température utilisée dans le système international d’unités.
Puisque nous attribuons 0 K au zéro absolu, il n’y a pas de températures négatives sur l’échelle Kelvin.
Puisque la taille des degrés est la même sur les échelles Kelvin et Celsius, une augmentation de température en degrés Kelvin coïncide avec une augmentation en degrés Celsius.
Conversion des échelles
Sachant que tC, tF et T est la température exprimée respectivement en degrés Celsius, Fahrenheit et Kelvin, nous utiliserons les expressions suivantes pour convertir entre les échelles.