Température

La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert thermique entre le corps humain et son environnement. En physique, elle se définit de plusieurs manières : comme fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules (en théorie cinétique des gaz), par l’équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou à partir de l’entropie (en thermodynamique et en physique statistique). La température est une variable importante dans d’autres disciplines : météorologie et climatologie, médecine, et chimie.

L’échelle de température la plus courante est le degré Celsius, dans laquelle la glace (formée d'eau) fond à 0 °C et l'eau bout à environ +100 °C dans les conditions standard de pression. Dans les pays utilisant le système impérial (anglo-saxon) d’unités, on emploie le degré Fahrenheit où la glace fond à +32 °F et l'eau bout à +212 °F. L’unité du Système international d'unités (SI), d’utilisation scientifique et définie à partir du zéro absolu, est le kelvin^[1] dont la graduation est presque identique à celle des degrés centigrades.

Introduction

Origine physique

La température ne peut être définie que pour des objets composés de nombreuses particules qui interagissent fortement : un atome seul n'a pas de température^[2], et un gaz extrêmement raréfié (dans lequel les chocs des molécules contre les parois sont plus fréquents que les chocs entre molécules) non plus.

Les particules qui composent la matière (molécules ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et possèdent donc une certaine énergie cinétique. La température est une mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules. Par ailleurs, un espace vide de matière mais dans lequel de la lumière se propage contient lui aussi de l'énergie. Dans de bonnes conditions^[3], 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 est donné par les étoiles dont le rayonnement révèle la température des atomes qui sont à sa surface.

Lorsque deux corps entrent 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.

Pour les gaz, la théorie cinétique définit la température comme suit :

$${\displaystyle T={\frac {1}{3k_{B}}}\int d{\overrightarrow {v}}\,p({\overrightarrow {v}})\,({\overrightarrow {v}}-{\overrightarrow {U}})^{2}}$$

où :

• ${\displaystyle k_{B}}$ est la constante de Boltzmann ;
• ${\displaystyle p({\overrightarrow {v}},t)}$ est la distribution des probabilités des vitesses,
• ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$ la vitesse des particules ;
• ${\displaystyle {\overrightarrow {U}}}$ le champ de vitesse (la vitesse moyenne) ;
• et ${\displaystyle d{\overrightarrow {v}}}$ le volume infinitésimal au voisinage de ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$.

Ces transferts d'énergie mènent spontanément à un état d'équilibre thermique où les deux corps en présence ont la même température.

Vocabulaire

Dans les domaines de la physique et de la chimie, il est courant de parler de température ordinaire pour une température courante, moyenne. Par exemple, on dit « l'eau est liquide à la température ordinaire ». Mais cette dénomination n'est pas très formalisée et la valeur de la température ordinaire est rarement précisée (le plus souvent évaluée de manière commune de 18 à 25 °C).

La température normale signifie en général le 0 de l'échelle courante : c'est le plus souvent 0 °C.

Quelques ordres de grandeur

L'évaporation qui suit une averse typique d'une heure en été en Europe réduit la température de deux degrés environ.

Définition en thermodynamique

En thermodynamique, la température est définie à partir de l'énergie totale d'un système (appelée dans ce contexte énergie interne) et du nombre d'états que celui-ci peut posséder pour une valeur fixée de cette énergie, qui est donnée par la notion d'entropie. On parle alors de température thermodynamique, qui se mesure en kelvins et dont le minimum est le zéro absolu, inaccessible en pratique du fait de propriétés quantiques. 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,000 000 000 45 K), c'est-à-dire −273,149 999 999 55 °C, est le record atteint en 2003^[4] au laboratoire de recherches du Massachusetts Institute of Technology (MIT) par une équipe codirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle.

Dans certaines expériences de physique, le calcul de la température au moyen de sa définition thermodynamique peut exceptionnellement aboutir à des valeurs négatives. Ces valeurs négatives sont extrêmement faibles (de l'ordre de quelques picokelvins à quelques nanokelvins). Elles apparaissent dans la mesure de certains systèmes quantiques très particuliers dont l'entropie, après avoir atteint un maximum, se met à diminuer à mesure qu'on leur ajoute encore de l'énergie^[5],[6]. Le signe moins n'apparaît donc que parce que le sens de la variation utilisée dans la formule a fini par s'inverser. Les échantillons pour lesquels on mesure de telles températures absolues négatives ne sont pas « plus froids » que le zéro absolu puisqu'ils fourniraient de la chaleur à tout autre système qui viendrait à leur contact. Les températures absolues négatives ne signifient pas non plus que la température est passée à un moment quelconque par le zéro absolu, « ce dernier restant impossible à atteindre »^[7].

Mesure et contrôle de la température

Mesure

Techniques de mesure

Contrôle

• Thermostat
• Climatisation
• Réfrigération, Réfrigérateur, Froid industriel, Production du froid
• Bain thermostaté, Étuve de laboratoire, Four, etc.
• Cryogénie, Cryostat

Échelles de température

Histoire

Source^[8].

Pour créer une échelle de température, les scientifiques de l'Antiquité ont recherché deux cas opposés, le « froid » et le « chaud ».

1. Échelle Fahrenheit : en 1720, le scientifique allemand Gabriel Fahrenheit invente le thermomètre à mercure et l'utilise pour définir l'échelle Fahrenheit, dans laquelle 32 °F correspond à la température minimale et 212 °F au maximum.
2. Échelle Celsius : en 1741, le physicien suédois Anders Celsius invente la gamme Celsius qui comprend cent intervalles appelés « degrés Celsius » (°C). Dans cette échelle, 0 °C est la température la plus basse qui correspond au point de congélation de l'eau et 100 °C est la plus élevée et correspond au point d'ébullition de l'eau.
3. Échelle de Kelvin : à la fin du XIX^e siècle, le scientifique britannique Lord Kelvin suggère l’idée de créer une échelle où le zéro serait le point le plus bas où la température ne pourrait pas baisser davantage : le zéro absolu. Les physiciens savaient que cette température existait à −273,15 °C, ce qui, une fois atteint, ne permettait pas aux atomes de bouger. Ainsi, le « zéro » a été pris à −273,15 °C. Cette nouvelle convention a été officialisée en 1960.

• 

  Gabriel Fahrenheit.

• 

  Anders Celsius.

• 

  Lord Kelvin.

Différentes échelles

Comparaison des échelles de température Celsius, Fahrenheit et Kelvin :
zéro absolu, points de fusion de la glace et d'ébullition de l'eau
dans les conditions de pression standard

Échelle	°C	°F	K
Zéro absolu	-273,15	-459,67	0
Fusion	0	+32	+273,15
Ébullition	+99,9839	+212	+373,1339

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^[9]. 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 degré Celsius

c'est le kelvin auquel on retire 273,15 K^[9]. Son unité est le °C. Elle est une simple translation de l'échelle absolue (voir ci-après). La température du 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, 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.

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

Le tableau ci-dessous résume les formules permettant de convertir une température entre les différentes échelles.

	À partir de :	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankine	Réaumur
	${\displaystyle T_{\mathrm {Kelvin} }=~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {K} }~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {C} }+273,15~}$	${\displaystyle {\tfrac {5}{9}}\,(T_{\mathrm {F} }+459,67)}$	${\displaystyle {\tfrac {5}{9}}\,T_{\mathrm {Ra} }}$	${\displaystyle {\tfrac {5}{4}}\,T_{\mathrm {Re} }+273,15~}$
	${\displaystyle T_{\mathrm {Celsius} }=~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {K} }-273,15~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {C} }~}$	${\displaystyle {\tfrac {5}{9}}\,(T_{\mathrm {F} }-32)}$.	${\displaystyle {\tfrac {5}{9}}\,(T_{\mathrm {Ra} }-491,67)}$	${\displaystyle {\tfrac {5}{4}}\,T_{\mathrm {Re} }}$
	${\displaystyle T_{\mathrm {Fahrenheit} }=~}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{5}}\,T_{\mathrm {K} }-459,67}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{5}}\,T_{\mathrm {C} }+32}$	${\displaystyle T_{\mathrm {F} }~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {Ra} }-459,67~}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{4}}\,T_{\mathrm {Re} }+32}$
	${\displaystyle T_{\mathrm {Rankine} }=~}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{5}}\,T_{\mathrm {K} }}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{5}}\,T_{\mathrm {C} }+491,67}$	${\displaystyle T_{\mathrm {F} }+459,67~}$	${\displaystyle T_{\mathrm {Ra} }~}$	${\displaystyle {\tfrac {9}{4}}\,T_{\mathrm {Re} }+491,67}$
	${\displaystyle T_{\mathrm {Reaumur} }=~}$	${\displaystyle {\tfrac {4}{5}}\,(T_{\mathrm {K} }-273,15)}$	${\displaystyle {\tfrac {4}{5}}\,T_{\mathrm {C} }}$	${\displaystyle {\tfrac {4}{9}}\,(T_{\mathrm {F} }-32)}$	${\displaystyle {\tfrac {4}{9}}\,(T_{\mathrm {Ra} }-491,67)}$	${\displaystyle T_{\mathrm {Re} }~}$

Comparaison des échelles de température

Comparaison des échelles de température^[a]

Température	kelvin[b]	Celsius	centigrade (historique)	Fahrenheit originelle	Fahrenheit historique	Fahrenheit moderne (actuelle)	Rankine	Delisle	Newton	Réaumur	Rømer
Zéro absolu.	0	−273,15	−273,197			−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
Plus basse température naturelle relevée par télédétection à la surface de la Terre (pas in situ)[c].	180,0	−93,2				−135,8	323,9	289,8	−30,8	−74,6	−41,4
Mélange eau/sel de Fahrenheit.				0
Origine de l'échelle Celsius moderne.	273,15	0				32	491,67	150	0	0	7,5
Température de fusion de l’eau (à la pression standard)[d].	273,150 089(10)	0,000 089(10)	0	32	32	32,000 160(18)	491,670 160(18)	≈ 150	≈ 0	≈ 0	≈ 7,5
Température du point triple de l’eau.	273,1600(1)	0,0100(1)				32,0180(18)
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 naturelle enregistrée à la surface de la Terre[e].	329,8	56,7				134	593,67	67,5	18,7	45,3	33,94
Température de vaporisation de l’eau (à la pression standard).	373,133 9	99,983 9	100	≈ 212	212	211,971	671,641	0	33	80	60
Température de fusion du titane.	1 941	1 668				3 034	3 494	−2 352	550	1 334	883
Température estimée de la surface du Soleil.	5 800	5 526				9 980	10 440	−8 140	1 823	4 421	2 909
Certains nombres de ce tableau ont été arrondis. Les valeurs en gras sont celles qui, par définition des différentes échelles, sont exactes (c'est-à-dire qui ont un nombre infini de chiffres significatifs). On écrit « kelvin » avec un k minuscule car c’est une unité du Système international, même si elle porte le nom de Lord Kelvin. En revanche, le symbole est un K majuscule. Enregistrée par satellite en Antarctique le 10 août 2010[10]. Les échelles de température modernes étant définies par le point triple de l'eau fixé à 0,01 °C, il en résulte que la température de fusion de l'eau mesurée précisément est de 0,000 089(10) °C. Enregistrée à Furnace Creek aux États-Unis le 10 juillet 1913[11].

Spécificité de différentes disciplines

Météorologie

Dans le domaine de la météorologie, la température de l'atmosphère s'écrit souvent T°. À proximité du sol, elle est prise sous un abri, le plus courant est l'abri Stevenson, à deux mètres du sol. Elle se mesure également en altitude à l'aide de radiosondes. Deux types de températures sont mesurées:

• La température de l'air qui correspond à la température classique donnée par un thermomètre protégé de l'humidité et des radiations ;
• La température du point de rosée, ou température du thermomètre mouillé, est prise avec un thermomètre sur lequel de l'eau s'évapore. Classiquement, le thermomètre est recouvert d'une mousseline mouillée que l'on ventile (maintenant remplacé par une cellule à point de rosée). La perte d'énergie de l'évaporation dépend de l'humidité relative de l'air ce qui fait que la température du point de rosée est inférieure à la température de l'air, la rattrapant seulement lorsque l'air est saturé (100 % d'humité).

L'instrument utilisé pour mesurer simultanément températures sèche et humide est le psychromètre. Sur un diagramme de l'air humide, la courbe de température constante est une droite verticale.

D'autre part, le vent et l'humidité font varier la température ressentie par le corps. Des indices ont été développés pour rendre compte de cette sensation. Il y a le refroidissement éolien pour exprimer la perte de chaleur sous l'effet du vent et plusieurs indices (indice humidex ou indice de chaleur) pour l'effet de moiteur lors de canicules. Bien que les valeurs de ces indices soient choisies pour ressembler à une température, elles n'ent sont pas.

Voir aussi :

• Amplitude thermique
• Records de température sur Terre
• Point de givrage

Biologie et médecine

• Animaux homéothermes, poïkilothermes
• Température corporelle

En ce qui concerne la qualité de l'air intérieur et la santé des individus, une température bien réglée est fondamentale. En effet, trop élevée, elle favorise le développement d'acariens et de moisissures^[12]. Bien réglée, elle permet de faire des économies énergétiques et indirectement financières non négligeables^[13]

Physique

Il existe de nombreuses définitions de la température dès que l'objet considéré n'est pas à l'équilibre thermique. On repère par des noms caractéristiques diverses températures signalant un changement brutal de propriétés d'un corps. Voir Température (homonymie)  pour plus de détails.

Sociopsychologie

Selon la culture, la chaleur de l'environnement, d'un habitat, de vêtements, d'objets ou de la nourriture évoque différentes choses et favorise différents comportements sociaux. Les mots « chaleureux » ou « froid » ou des expressions telles que « à mains froides cœur chaud » montrent l'importance sous-jacente de la chaleur dans les interactions humaines.

Des expériences ont montré qu'un sujet tenant une tasse de café chaud tend à trouver les autres plus chaleureux et attentionnés que s'il tient un café glacé. Il offrira plus volontiers un cadeau à son entourage après avoir tenu un café chaud, alors qu'il tendra à s'occuper de lui après avoir tenu un café glacé^[14].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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