Astronomie 🌌

IX. La mesure des températures:

La température d'un objet massif, tels que ceux qui nous entourent, est une notion à priori subjective. On a d'abord remarqué que certains matériaux présentaient des variations de volume en fonction de la température : un métal se dilate à la chaleur, et se contracte au froid. Ceci ne constitue pas encore une mesure, car il faut pour cela disposer d'un repère fixe.

La température a été objectivée en 1742 par Anders Celsius, astronome suédois, professeur à l'université d'Uppsala. Il a remarqué qu'un mélange d'eau froide et de glace conservait la même température, même si on l'exposait à un froid plus intense, ou à la chaleur. On peut le constater justement en y plongeant un morceau de métal, dont les variations de longueur dénoteront d'éventuelles variations de température. Tant qu'il reste à la fois de l'eau et de la glace, la température du mélange ne varie pas. On a donc un point fixe.

Pour établir une échelle, il faut de plus un coefficient multiplicateur, la distance entre deux barreaux successifs. Pour cela, un second point fixe est souhaitable. Il a été trouvé par le mélange d'eau et de vapeur, qui conserve lui aussi la même température tant qu'il reste à la fois de l'eau et de la vapeur. Entre ces deux points fixes, Celsius a établit 100 graduations, utilisant donc une division centésimale. La graduation se nomme donc degré Celsius, en référence à son créateur, ou degré centigrade en référence au nombre de divisions.

L'explication de ces deux phénomènes a été trouvée : pour transformer de l'eau en glace, il faut lui retirer de la chaleur ; pour transformer de la glace en eau, il faut lui en fournir la même quantité. Donc, s'il y a à la fois de l'eau et de la glace, lorsqu'on fourni de la chaleur, de la glace l'absorbe pour se transformer en eau, et lorsqu'on retire de la chaleur, de l'eau se transforme en glace. Donc, les variations de température sont absorbées par ces transformations.

Dans le cas de l'eau et de la vapeur, il en est de même. Les variations de température sont gommées.

A l'origine, la température de la glace fondante a été notée 100° et celle de l'eau bouillante 0°. Une permutation de ces deux valeurs a amené l'échelle à celle que nous utilisons tous les jours.

Mais les physiciens ont rencontré un problème. Comme on fait plus blanc que blanc, on peut faire plus froid que froid : il existe des températures négatives. L'échelle Celsius n'a pas de bornes, ni dans les valeurs positives, ni dans les valeurs négatives. Or cette méthode de mesure a été construite en l'absence d'explication de la chaleur. Qu'est ce qui différencie un objet chaud d'un objet froid ?

Il a fallu comprendre que la matière est faite d'atomes, que l'on peut voir ici comme de petites billes, pour arriver à comprendre : la chaleur mesure l'agitation des atomes ! Une particule animée d'une vitesse possède une énergie cinétique. C'est le cas de tous les objets macroscopiques (essayez donc de vous laisser tomber une boîte de petits poi(d)s sur le pied...). Les molécules de l'air (formées de plusieurs atomes) sont animées d'une grande vitesse. Lorsqu'elles viennent heurter notre peau (à 20° C, la vitesse d'une molécule d'oxygène O2 est de 340 m/s = 1220 km/h, la molécule d'azote est légèrement moins lourde, donc légèrement plus rapide), elles nous communiquent leur énergie cinétique. Chacune en apporte très peu, mais elles sont si nombreuses... Alors, l'impression de chaleur que nous ressentons n'est que l'apport d'énergie produit par des milliards de molécules qui viennent nous percuter. Donc, plus les particules vont vite, plus l'objet qu'elles composent est chaud.

Mais qu'arrive-t-il si les molécules qui composent un objet sont immobiles ? Elle ne nous communiquerons plus d'énergie du tout. Il sera donc difficile de faire plus froid ! C'est là la notion de zéro absolu : il existe une température minimale ! Alors qu'il n'existe pas de température maximale, si ce n'est celle qu'aurait un corps dont les atomes iraient à la vitesse de la lumière !!

Des expériences ont montré que cette température est de l'ordre de -273,5° C. On en déduit l'échelle absolue, ou échelle Kelvin (nommée ainsi parce qu'elle a été définie par Lord Kelvin) : le zéro est la température minimum possible, donc approximativement -273,5° C, et les graduations sont les mêmes que dans l'échelle Celsius. Donc le zéro Celsius correspond à 273,5 Kelvins. La conversion est facile :

                                                                                 TK = TC + 273,5

Une température estivale de 26,5° C correspond à 300 Kelvins. La température de la photosphère solaire, qui est de 5.777 Kelvins, vaut donc 5.500° C.

La notion de température que nous avons est basée sur notre immersion dans un environnement de densité élevée. De l'air chaud nous chauffe. Mais que se passe-t-il si on chauffe à 1.000 Kelvins de l'hydrogène à une densité de quelques atomes au cm3 ? Que ressentirait-on si on pouvait exposer sa main à un tel gaz ? Bien que chaque atome percuterait notre peau à très grande vitesse, et y déposerait une énergie importante (à l'échelle de l'atome), ceci ne représenterait pratiquement rien pour nous, et serait strictement insensible (bien que ça pourrait faire des dégâts au niveau microscopique).

La chaleur qu'un corps nous communique est due à un grand nombre de chocs à chaque seconde, dans un milieu dense. Dans un milieu très raréfié, même si la température est très élevée, l'apport d'énergie reste très faible sinon négligeable.