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Définition et synonyme de : TEMPÉRATURE

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Article publié par Encyclopaedia Universalis TEMPÉRATURE Aujourd'hui, il fait chaud ! Cette exclamation courante exprime le rapport de tous les instants que nous entretenons avec une des grandeurs les plus universelles de notre environnement : la température. Chacun de nous est bien conscient qu'il ne s'agit pas d'une expression quantitative, mais d'un repère sur une échelle purement subjective, où seuls les sens sont en cause. Consulter un thermomètre permet de préciser par une grandeur cette 0 sensation : il fait 24 C ! Les échelles thermométriques Nous sommes capables d'exprimer cette notion de température pour des objets qui nous entourent, que nous palpons ou sur lesquels nous posons un thermomètre. C'est ainsi que, pour le corps humain, elle varie autour de 0 37 C. En revanche, au niveau de la mer, l'eau bout dans la casserole à 0 0 100 C (exactement) et la glace fond à 0 C (exactement). Ce sont des certitudes qu'il n'est même pas utile de vérifier car ces deux températures définissent une échelle, appelée l'échelle Celsius. La dilatation d'un liquide, le mercure souvent, dans un tube calibré, portant cent divisions équidistantes entre les deux niveaux de référence (l'eau glacée et l'eau bouillante), permet de connaître la température du thermomètre, dont nous pensons qu'elle est aussi celle du milieu ambiant. Il existe d'autres échelles, notamment l'échelle Fahrenheit, pour laquelle le degré équivaut à 5 /9 du degré Celsius et la glace 0 fond à 32 F.
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TEMPÉRATURE

Aujourd'hui, il fait chaud ! Cette exclamation courante exprime le rapport de tous les instants que nous entretenons avec une des grandeurs les plus universelles de notre environnement : la température. Chacun de nous est bien conscient qu'il ne s'agit pas d'une expression quantitative, mais d'un repère sur une échelle purement subjective, où seuls les sens sont en cause. Consulter un thermomètre permet de préciser par une grandeur cette sensation : il fait 24 0C !

Les échelles thermométriques

Nous sommes capables d'exprimer cette notion de température pour des objets qui nous entourent, que nous palpons ou sur lesquels nous posons un thermomètre. C'est ainsi que, pour le corps humain, elle varie autour de 37 0C. En revanche, au niveau de la mer, l'eau bout dans la casserole à 100 0C (exactement) et la glace fond à 0 0C (exactement). Ce sont des certitudes qu'il n'est même pas utile de vérifier car ces deux températures définissent une échelle, appelée l'échelle Celsius. La dilatation d'un liquide, le mercure souvent, dans un tube calibré, portant cent divisions équidistantes entre les deux niveaux de référence (l'eau glacée et l'eau bouillante), permet de connaître la température du thermomètre, dont nous pensons qu'elle est aussi celle du milieu ambiant. Il existe d'autres échelles, notamment l'échelle Fahrenheit, pour laquelle le degré équivaut à 5 /9 du degré Celsius et la glace fond à 32 0F.

Le côté assez arbitraire de la définition d'une échelle de température par les changements d'état de l'eau dissimule la nature réelle de cette grandeur et traduit en fait l'ignorance qui a prédominé pendant longtemps à son égard. Ce n'est qu'à la fin du xixe siècle, avec l'avènement de la thermodynamique statistique, qu'elle est passée du statut de grandeur repérable à celle de grandeur physique mesurable. Dans une première étape, les travaux pionniers de Sadi Carnot (1824), puis ceux de Julius Robert von Mayer (mai 1842) et de James Prescott Joule (janvier 1843) ont permis de comprendre que l'échauffement d'un objet n'a lieu que par le transfert à cet objet d'une certaine quantité d'énergie. Le degré thermométrique n'est plus seulement la centième partie d'une échelle arbitraire, c'est précisément la mesure de l'échauffement de 1 gramme d'eau lorsqu'on lui transfère 4,18 joules (une calorie) d'énergie thermique. James Clerck Maxwell et Ludwig Boltzmann (1872) montrent ensuite que la température d'un corps « mesure » l'énergie de mouvement des particules dont est formé ce corps. Dans un même objet, cette énergie varie considérablement d'une particule à l'autre, mais comme il y a énormément de molécules (mille milliards de milliards dans une goutte d'eau), on mesure, de ce fait, une valeur moyenne parfaitement stable et définie qui représente la température. Le caractère absolu de cette définition a justifié la création de l'échelle absolue, ou échelle Kelvin. Le kelvin (K) a la même « hauteur » que le degré Celsius, mais la température du point où cohabitent la glace, l'eau et la vapeur d'eau, appelé point triple de l'eau, a été fixée à 273,16 K. Le zéro de cette échelle correspond à un état où l'énergie d'agitation des particules serait nulle et l'immobilité totale.

La mesure de la température d'un objet n'est rien d'autre, en fin de compte, que la mesure de cette énergie moyenne des particules qui composent l'objet, une fois acquise la certitude que ces particules sont bien en équilibre thermique. Il existe toutes sortes de méthodes pour effectuer cette mesure, car de nombreuses propriétés physiques varient en fonction de la température. La variation de la propriété choisie doit être appréciable et facile à mesurer dans le domaine concerné. On a cité le cas du volume, dont la variation thermique s'appelle dilatation et qui a permis de construire les thermomètres à liquide. On a construit sur le même principe des thermomètres à gaz et à solide. Par ailleurs, beaucoup de propriétés électriques de la matière dépendent de la température : la résistivité, utilisée dans les thermomètres à résistance de platine et à semiconducteurs, les propriétés thermoélectriques des soudures, sur lesquelles repose le principe des couples thermoélectriques. Toutes sortes de propriétés de la matière ont été mises à profit pour fabriquer des thermomètres adaptés à des situations particulières, par exemple en utilisant les changements de couleur de certaines substances pour mesurer, par simple contact, la température de notre peau. Lorsqu'on chauffe un gaz, le son s'y propage plus vite, sa viscosité diminue, les raies spectrales d'une lumière qui le traverse s'élargissent, etc. À chacune de ces propriétés correspond un thermomètre.

Température et rayonnement

La définition statistique donnée par Ludwig Boltzmann laisse penser que seule une assemblée très large de particules permet de définir une température. Or le rayonnement électromagnétique, également vecteur d'énergie, est, lui aussi, susceptible de se mettre en équilibre avec un milieu matériel, et d'en « acquérir » en quelque sorte la température. Le modèle photonique du rayonnement, proposé par Albert Einstein en 1905, a permis de comprendre en quoi consiste cet équilibre entre rayonnement et matière : la matière émet du rayonnement et en absorbe. À l'équilibre, ces deux flux sont égaux et la répartition d'énergie sur les différentes longueurs d'onde du rayonnement, son « spectre », est absolument caractéristique de la température T correspondant à cet équilibre. Inutile de mettre un thermomètre dans un four, il suffit de mesurer par un petit trou le spectre du rayonnement que ce trou laisse échapper. Ainsi peut-on dire que la surface du Soleil rayonne comme un four porté à 5 900 K. Les conséquences de cette propriété sont vastes : elle offre une nouvelle façon de mesurer la température d'un objet, fût-il aux confins de l'Univers, ou dans la visée d'une lunette pour chasseurs nocturnes ; elle permet de comprendre comment fonctionnent des machines thermiques aussi compliquées que l'atmosphère d'une planète chauffée par le Soleil. Elle nous permet même de considérer l'ensemble de l'Univers comme un four autrefois très chaud, qui s'est refroidi en grossissant et qui est maintenant rempli d'un rayonnement « fossile » dont la température n'est plus que de 2,73 K.

Depuis deux cents ans, les techniques pour maîtriser le chaud et le froid ont beaucoup évolué, non seulement pour ce qui concerne notre vie quotidienne, mais dans des régions extrêmes, où d'étranges phénomènes prennent naissance : c'est le cas en particulier vers les très basses températures, où l'on atteint le millionième de kelvin, et où les atomes se « condensent » dans des états nouveaux. C'est également le cas vers les très hautes températures, voisines des 15 millions de kelvins, qui règnent au cœur d'étoiles comme le Soleil, où les atomes fusionnent entre eux en libérant une énergie qu'on aimerait maîtriser. S'il est vrai que les scientifiques savent réaliser des froids bien plus rigoureux encore que les 2,73 K de l'Univers, vers le chaud, en revanche, ils n'ont pas encore atteint les températures extrêmes (qui se mesurent en dizaines de milliards de degrés) qui accompagnent certaines explosions d'étoiles. Ils ont cependant l'ambition de réaliser très fugacement, dans de gigantesques accélérateurs de particules, des températures comparables à celles du big bang.

Auteur: Jean MATRICON
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