Température - Définition
La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.
Par exemple, quand l'agitation est faible, l'objet est froid au toucher. Cette sensation est due à un transfert de chaleur des doigts vers l'objet. Elle se mesure au moyen d'un thermomètre et est étudiée par la thermométrie.
Le rapport entre la quantité d'énergie thermique et la température est appelée la chaleur massique.
Origine physique
Les particules qui composent un système matériel (molécules ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et possèdent donc une certaine énergie cinétique. La température mesure indirectement par contact le degré d'agitation microscopique des particules.
Par ailleurs, un espace vide de matière mais dans lequel de la lumière[1] se propage contient lui aussi de l'énergie. Dans de bonnes conditions[2], on peut associer une température à ce rayonnement qui mesure l'énergie moyenne des particules qui le constituent. Un exemple important de rayonnement thermique est celui du corps noir dont un exemple spectaculaire observé dans la nature est le fond diffus cosmologique.
Lorsqu'on met deux corps en contact, ils échangent spontanément de l'énergie thermique : l'un des deux corps a des particules qui ont plus d'énergie cinétique, en les mettant en contact, les chocs entre particules font que cette énergie cinétique microscopique se transmet d'un corps à l'autre. C'est ce transfert d'énergie qui, en sciences physiques, est appelé chaleur. Ces transferts d'énergie mènent spontanément à un état d'équilibre thermique où les deux corps en présence ont la même température.
La température ambiante est la température de l'environnement, c'est-à-dire tout l'univers sauf le système considéré.
Néanmoins, en pratique, dans les domaines de la physique et de la chimie, il est courant de parler température ambiante pour une température courante, moyenne. Par exemple, on dit " l'eau est liquide à la température ambiante ". Mais cette dénomination n'est pas très formalisée et la valeur de la température ambiante est rarement précisée (le plus souvent évaluée de manière commune à 25°C).
Température thermodynamique
Le fait est que tous corps en contact ayant des températures différentes échangent de l'énergie de manière à atteindre un état d'équilibre pour lequel les températures finales sont identiques. C'est l'équilibre thermique. Il suffit donc de connaître et de savoir quantifier parfaitement l'état thermique d'une classe de corps physique particulière pour étendre la définition de température à tous les objets physiques. C'est ce qui est fait avec la notion de gaz parfait: pour un gaz parfait, la température (dans ce cas appelée cinétique) est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des particules ou encore à l'énergie interne du gaz.
On peut alors définir la température thermodynamique d'un corps comme étant celle qu'il acquiert lorsqu'il est en contact et en équilibre thermique avec un gaz parfait. C'est le principe de thermométrie.
De manière plus mathématique et formelle, la température thermodynamique est reliée à la notion d'entropie. On peut ainsi définir pour un système thermodynamique soumis uniquement aux forces de pression :
Unité et échelles de mesure
L'unité légale de température dans le système international est le kelvin de symbole K (noter l'absence du symbole ° car ce n'est pas une échelle de mesure). Il existe d'autres systèmes de mesures antérieurs et toujours utilisés : les échelles Celsius centigrade, Fahrenheit et Rankine.
- le Kelvin
- il est défini à partir du point triple de l'eau : un kelvin est égal à 1/273,16 fois la température du point triple de l'eau [3]. Le zéro absolu, correspondrait à la limite à une absence totale d'agitation microscopique et à une température de -273,15 °C ; mais on ne peut jamais l'atteindre (Penser que l'entité physique est plutôt 1/T , et on ne peut jamais atteindre l'infini). Cette unité permet de définir une échelle absolue des températures.
- le Celsius
- c'est le kelvin auquel on retire 273,15 K [4]. Son unité est le °C. Elle est une simple translation de l'échelle absolue (voir ci-après). Le point triple de l'eau y a donc pour valeur 0,01°C.
- les échelles centigrades
- l'échelle de mesure est telle que 0 et 100 sont fixés. Elle est appelée centigrade car les deux points de référence sont distants de 100°. Entre les deux, c'est la dilatation du mercure qui définit l'échelle.
- Par exemple dans l'échelle centigrade de Celsius, le zéro correspond à la température de la glace fondante et 100 degrés centigrades correspond à la température d'ébullition de l'eau sous une pression de 1 atmosphère. Ce serait Linné qui aurait inversé l'échelle.
- l'échelle Fahrenheit
- son symbole est °F. Elle attribue une plage de 180°F entre la température de solidification de l'eau et sa température d'ébullition. On la déduit de l'échelle Celsius par une fonction affine (voir ci-après). Elle fixe le point de solidification de l'eau à 32 °F et le point d'ébullition à 212 °F.
- l'échelle Rankine
- c'est une simple homothétie de l'échelle absolue avec un facteur 9/5 (voir ci-après).
Conversion
On peut établir des correspondances entre ces trois échelles:
Formules de conversion générales:
Celsius
Celsius
kelvin
kelvin
degré celsius
Comparaison des échelles de température
| Commentaire | kelvin | Celsius | centigrade | Fahrenheit | Rankine | Delisle | Newton | Réaumur | Rømer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Zéro absolu | 0 | −273,15 | −459,67 | 0 | 559,725 | −90,14 | −218,52 | −135,90 | |
| Plus basse température enregistrée à la surface de la Terre (Vostok dans l'Antarctique - 21 juillet 1983) |
184 | −89 | −128,2 | 331,47 | 283,5 | −29,37 | −71,2 | −39,225 | |
| Mélange eau/sel de Fahrenheit | 255,37 | −17,78 | 0 | 459,67 | 176,67 | −5,87 | −14,22 | −1,83 | |
| Température de fusion de l'eau (à la pression standard) | 273,15 | 0 | 0 | 32 | 491,67 | 150 | 0 | 0 | 7,5 |
| Température moyenne à la surface de la Terre | 288 | 15 | 59 | 518,67 | 127,5 | 4,95 | 12 | 15,375 | |
| Température moyenne du corps humain | 309,95 | 36,8 | 98,24 | 557,91 | 94,8 | 12,144 | 29,44 | 26,82 | |
| Plus haute température enregistrée à la surface de la Terre (Al 'Aziziyah en Libye - 13 septembre 1922) |
331 | 58 | 136,4 | 596,07 | 63 | 19,14 | 46,4 | 37,95 | |
| Température de vaporisation de l'eau (à la pression standard) | 373,125 | 99,975 | 100 | 212 | 671,67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Température de fusion du titane | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | −2352 | 550 | 1334 | 883 | |
| Température de la surface du Soleil | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
Certains nombres de ce tableau ont été arrondis.
Autres domaines
Dans le domaine de la météorologie, la température s'écrit T° et on parle de T° éolien, pour exprimer la température ressentie sous l'effet du vent, aussi connue sous température subjective, impression de chaud ou froid, ou encore température au vent, voir en détail le refroidissement éolien.
La température sèche correspond à la température classique donné par un thermomètre mais protégé de l'humidité et des radiations. Sur un diagramme de l'air humide, la courbe de température constante est une droite verticale.
On mesure la température humide avec un thermomètre sur lequel de l'eau s'évapore. On utilise généralement de la mousse mouillée que l'on ventile. La température humide est toujours inférieure à la température sèche ; elles sont d'autant plus égales que l'humidité relative est proche de 100%.L'illustration pratique de ces mesures sont faites par exemple dans un psychromètre Pescara
En médecine on mesure la température corporelle.
Pour les corps (entité) composés de plusieurs phases (Ex : de l'air humide : liquide dans un gaz) on parle de gradient adiabatique.
