Qu’est-ce que la température ?

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Objectifs

  • Expliquer la notion de température, définir les échelles de température Celsius et Kelvin,
  • Décrire des méthodes de mesure,
  • Expliquer la différence entre température et chaleur.

On plonge un thermomètre dans un verre d’eau. On note la température. Avec un thermoplongeur on chauffe l’eau jusqu’à l’ébullition et on note la température.

  • De quoi est constituée l’eau ?
  • Quelle est la différence entre l’eau au départ et l’eau qui bout ?
  • Quel est le rôle du thermoplongeur ?
  • Que signifie la chaleur ?
  • D’où vient la chaleur dégagée par le thermoplongeur ?
  • Que signifie la température ?
  • Quelle sera la température du verre d’eau si on le laisse une heure sans le chauffer ?
  • Où est passée la chaleur du verre d’eau ?

Qu’est-ce que la température ?

Les atomes constituant la matière sont perpétuellement en mouvement.

Même dans un corps solide les atomes ne sont pas immobiles et vibrent autour d’une position centrale.

La vibration est un mouvement et tout objet en mouvement porte en lui une forme d’énergie liée à sa vitesse : l’énergie cinétique.

La température est le reflet de l’énergie cinétique moyenne des particules de la matière.

Attention: La température n’est pas une énergie et ne s’exprime pas en Joules. La température ne nous indique pas la valeur de l’énergie cinétique des particules. Mais un changement de température nous indique que l’énergie cinétique moyenne des particules a changée.

Il ne faut donc pas confondre la température et la chaleur : la chaleur représente les variations de l’énergie cinétique totale des particules. Elle est une forme de transfert d’énergie. Elle se mesure en Joules. Elle varie avec la température d’un objet.

Unités et mesure

On ne peut pas mesurer directement la température. Pour mesurer la température on doit utiliser un phénomène qui dépend d’elle : la dilatation thermique, la résistance électrique etc.

Mesure de la température par dilatation thermique

L’augmentation de la température d’un objet se traduit par une augmentation de la vibration de ses atomes. Un atome qui vibre plus fortement occupe plus d’espace. Cela se traduit au niveau macroscopique par une augmentation du volume. On peut donc « voir » une augmentation de température en mesurant l’augmentation des dimensions d’un objet.

Thermomètre à mercure

Un thermomètre à mercure est basé sur le phénomène de dilatation thermique. Il est constitué d’un tube en verre relié à un réservoir rempli de mercure. Lorsque la température augment, le mercure dans le réservoir augmente de volume et monte dans le tube de verre. A l’inverse, lorsque la température diminue, le mercure diminue de volume et descend dans le tube de verre.

Unités et échelles de mesure

Degrés Celsius : Le zéro degré Celsius (0°C) correspond à la température de fusion de l’eau et 100° C correspond à la température de l’ébullition de l’eau (si la pression est d’une atmosphère). Chaque unité correspond à 1/100ème entre ces deux températures.

L’autre échelle de température utilisé par les scientifiques est l’échelle kelvin (K). Le zéro kelvin correspond à un état théorique où les particules de matière sont immobiles. Chaque unité correspond à 1/273ème entre le zéro et la température de fusion de l’eau. Ainsi la température de fusion de l’eau correspond à environs 273 kelvin.

°C + 273 = K
K − 273 = °C

Le zéro kelvin correspond à la température la plus basse théoriquement possible. Il n’existe donc pas de température négative en kelvin. Par contre le zéro Celsius est arbitrairement fixé sur la température de fusion de l’eau. Il existe des températures bien inférieures qui sont exprimées par le signe négatif. Le zéro kelvin correspond à environs -273°C.

Echanges thermiques

L’énergie thermique est transmise spontanément de l’objet le plus chaud à l’objet le plus froid.

Si on met en contact deux objets qui ont des températures différentes alors la température de l’objet « chaud » diminue et la température de l’objet « froid » augmente. La transmission d’énergie se poursuit jusqu’à ce que les deux objets soient à la même température (température d’équilibre). La direction de l’échange (du plus chaud vers le plus froid) est une conséquence du 2ème principe de la thermodynamique.

Si deux objets sont à la même température il n’y a globalement pas d’échange sous forme de chaleur entre eux. On dit qu’ils sont en équilibre thermique.

Résumé
La température est le reflet de l’énergie cinétique moyenne (agitation thermique) des particules.

L’énergie thermique est la somme de l’énergie cinétique de toutes les particules d’un corps.

La chaleur est égale à la variation de l’énergie thermique d’un corps.

La dilatation thermique: Le volume d’un corps varie en fonction de sa température.

Zéro absolu c’est la température la plus basse théoriquement possible.
Il correspond à 0 K ou -273 °C.

°C + 273 = K
K − 273 = °C

L’échange de chaleur se fait spontanément de l’objet le plus chaud vers l’objet le plus froid.

Deux objets sont en équilibre thermique s’ils sont à la même température.

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