Température

Unité de température en physique

Le kelvin est l'unité SI et est toujours utilisé dans les travaux scientifiques, car de nombreuses autres propriétés sont liées à la température en unités de kelvin. La température la plus basse possible est appelée zéro absolu et correspond à \(0\text{ K}\). Au zéro absolu, aucune chaleur ne peut plus être retirée du système. Classiquement, il s'agit de la température à laquelle tout mouvement moléculaire s'arrête. Si la température a une limite inférieure, il faut noter qu'il n'y a pas de limite supérieure.

En plus de l'échelle Kelvin, il existe deux autres unités principales de mesure de la température, l'échelle Celsius et l'échelle Fahrenheit. Cependant, tu dois garder à l'esprit que ces deux échelles, comme elles sont très couramment utilisées dans la vie de tous les jours, l'échelle utilisée dans les environnements physiques est l'échelle de Kelvin, car c'est l'unité SI.

Symbole de la température

Comme nous l'avons mentionné précédemment, l'unité SI de température est le kelvin et son symbole est \(\text{K}\). La température ambiante est égale à environ \(290text{ K}\), l'échelle Kelvin n'est donc pas très utile dans les situations quotidiennes et d'autres échelles doivent être utilisées à la place.

Dans la vie de tous les jours, les températures sont exprimées soit sur l'échelle de Fahrenheit (ºF), soit sur l'échelle de Celsius (ºC). Ce sont les échelles utilisées sur les thermomètres dans les laboratoires scolaires. La majorité des pays du monde utilisent l'échelle Celsius. Elle est définie de manière à ce que l'eau ait un point de congélation de \(0ºC\) et un point d'ébullition de \(100ºC\), à la pression atmosphérique. \ (0\text{ K}\) est approximativement égal à \ (-273 \) (c'est \(-273,15 \) pour être exact).

Mesure de la température

La température peut être mesurée à l'aide d'un thermomètre. Tu as peut-être une idée en tête de ce à quoi ressemble un thermomètre normal, mais en fait, ils peuvent se présenter sous de nombreuses formes différentes. En effet, de nombreuses propriétés physiques différentes peuvent être utilisées comme base pour les thermomètres, à condition qu'elles dépendent de la température. Pour la plupart des substances, l'augmentation du volume est directement proportionnelle à l'augmentation de la température (si la pression reste constante) et c'est ce qui est utilisé pour la plupart des thermomètres. D'autres propriétés peuvent également être utilisées, comme la résistance électrique (la résistance augmente avec la température pour les conducteurs métalliques), la dilatation thermique d'un solide et la pression (si le volume est maintenu constant).

Un thermomètre à mercure est le plus souvent utilisé dans les laboratoires scolaires. Il se compose d'un tube de verre fin à l'intérieur duquel se trouve du mercure liquide. Le niveau de mercure t'indique la température de l'environnement. Lorsque la température du thermomètre augmente, le mercure se dilate et le niveau du liquide s'élève. Le mercure possède de nombreuses propriétés qui en font la substance idéale pour les thermomètres de laboratoire. C'est un bon conducteur de chaleur, il reste liquide sur une large plage de températures (de -39°C à 357°C) et c'est un bon conducteur de chaleur (ce qui signifie qu'il réagit rapidement aux changements de température).

Un thermomètre à mercure se compose d'un tube de verre avec un tube plus fin contenant du mercure liquide à l'intérieur, pixabay.

Formule de calcul de la température

La température en Celsius peut être trouvée à partir de la température en Kelvin par la formule suivante :

\N-[T_C=T_K-273\N]

où \(T_C\) est la température en Celsius et \(T_K\) est la température en Kelvin.

Sur l'échelle de Fahrenheit, le point de congélation de l'eau est de 32°F et le point d'ébullition de 212°F (toujours à la pression atmosphérique). Un degré Fahrenheit est inférieur à un degré Celsius. Les deux échelles sont liées par la formule suivante :

\[T_F=\dfrac{9}{5}T_C+32\]

où \(T_F\) est la température en Fahrenheit.

Différence entre chaleur et température

Les concepts de chaleur et de température peuvent souvent être confondus pour signifier la même chose alors qu'ils sont en réalité différents, bien qu'ils soient très étroitement liés. Comme nous l'avons expliqué plus haut, la température est une grandeur mesurable qui décrit l'énergie cinétique moyenne des molécules d'un système. La chaleur est le transfert d'énergie thermique dû à une différence de température entre les molécules. La chaleur est une mesure de la façon dont l'énergie circule à travers un objet. La chaleur est mesurée en joules, \(\text{J}\), la même que l'unité d'énergie.

Une situation qui démontre la différence entre la chaleur et la température est celle où tu prépares une tasse de café chaud et la laisses à l'extérieur. Le café a une température beaucoup plus élevée que son environnement et ses molécules ont donc une plus grande énergie cinétique que celles de l'environnement. Les molécules énergétiques du café vont lentement transférer de l'énergie thermique à l'environnement et se refroidir elles-mêmes - la chaleur est transférée à l'environnement. Une fois que le café s'est refroidi pour atteindre la même température que la pièce dans laquelle il se trouve, il n'y a plus de transfert de chaleur. En effet, l'énergie cinétique moyenne des molécules du café et de l'environnement est la même, de sorte qu'il n'y a pas de transfert d'énergie.

La chaleur est transférée d'une tasse de café à son environnement en raison de la différence de température, toppr.

Lorsqu'aucune énergie n'est transférée entre le café et son environnement, on dit qu'ils sont en équilibre thermique. Si un autre objet est à la même température que la pièce, il sera également en équilibre thermique avec la tasse de café. Cela semble évident, mais il s'agit d'un point clé de la thermodynamique, que l'on appelle la loi zéro de la thermodynamique.

La loi zéro de la thermodynamique peut être facilement visualisée en considérant trois corps en équilibre thermique, clubtechnical.

Le message principal de cette loi est que tous les corps ont une propriété appelée température et que lorsque deux corps sont en équilibre thermique, leurs températures sont égales. Cette affirmation peut sembler évidente, mais elle n'en est pas moins importante et nous utilisons la loi du zéro tout le temps. Par exemple, si tu veux vérifier que deux objets sont à la même température, il te suffit de mesurer leur température à l'aide d'un thermomètre. Il n'est pas nécessaire de rapprocher les objets pour voir s'il y a un transfert de chaleur lorsqu'ils sont en contact.