THERMIQUE

Température

Au milieu du xix^e siècle, la nécessité de décrire la matière macroscopique à partir de ses éléments microscopiques s’impose peu à peu au monde de la physique. Maxwell franchit en ce sens un pas décisif par la publication, en 1859, de sa Théorie cinétique des gaz, qui établit par le calcul la loi d’état des gaz parfaits, dont l’écriture n’était jusque-là fondée que sur des données expérimentales. Cette approche théorique révolutionnaire, fondée et développée par Boltzmann et Gibbs, s’appelle la physique statistique. La confirmation de son bien-fondé ne sera acquise qu’au début du xx^e siècle, grâce aux observations expérimentales prouvant l’existence de particules élémentaires : électrons libres, ions, atomes et molécules.

Ces éléments ne sont pas immobiles : ils sont animés d’un mouvement incessant et chaotique qu’on appelle « agitation thermique ». En phase solide, les particules oscillent autour d’une position fixe ; dans un liquide, elles oscillent mais elles peuvent également se déplacer d’un site à l’autre ; en phase gazeuse, les particules sont libres et elles occupent tout le volume mis à leur disposition. Chaque état de la matière est donc caractérisé par des modes de stockage de l’énergie d’agitation thermique (translation, vibration et rotation) spécifiques. Cette énergie est globalement quantifiée par une grandeur appelée « température ». Sa limite inférieure, qui correspond au cas où cesserait ce mouvement microscopique, s’appelle le « zéro absolu ».

On a su mesurer la température bien avant d’en comprendre le sens physique. Galilée semble être le premier à avoir inventé un dispositif sensible au « degré d’échauffement ». Les thermomètres que l’on utilise aujourd’hui sont gradués selon l’une ou l’autre des échelles proposées par Celsius et Fahrenheit. Ces dispositifs postulent une relation linéaire entre la température et la longueur d’un objet, par exemple une colonne de mercure, ce qui rend nécessaire le choix de deux valeurs de référence : Celsius (1742) utilise les points de congélation (0 ⁰C) et d’ébullition (100 ⁰C) de l’eau à la pression atmosphérique, alors que Fahrenheit (1724) choisit le point de congélation d’un mélange d’eau, de glace et de sel de mer et le corps humain (respectivement fixés à 0 ⁰F et 96 ⁰F).

La correspondance entre ces deux échelles est bien représentée par la relation :

$$t\left(℉\right)=32+\mathrm{1,8}t\left(°\mathrm{C}\right).$$

Boyle et Mariotte établissent, l’un en 1665 et l’autre en 1676, que le produit de la pression par le volume occupé par un gaz définit une échelle de température indépendante de la nature du gaz utilisé. Amontons est le premier, en 1702, à remarquer que, la pression ne pouvant pas être négative, il existe une température au-dessous de laquelle il est impossible de descendre. Sa valeur, t_min = — 273,15 ⁰C, obtenue par l’expérience, peut donc être proposée comme nouveau zéro de l’échelle de température.

Ce n’est qu’en 1848 que Kelvin retrouve cette valeur en utilisant une machine de Carnot comme thermomètre. L’échelle de température « absolue » qui porte son nom est en parfait accord avec les valeurs obtenues avec le thermomètre à gaz. Pour des raisons pratiques, Kelvin choisit le système de graduation du thermomètre de Celsius, ce qui conduit à l’équivalence numérique suivante :

$$T\left(\mathrm{K}\right)=\mathrm{273,15}+t\left(°\mathrm{C}\right).$$

On peut donc, par exemple, attribuer à la température de fusion de l’aluminium les trois valeurs suivantes : 660 ⁰C, 1 220 ⁰F et 933,15 K.

Flux et densité de flux thermique

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