Température (physique): définition, formule et exemples

Vous avez peut-être déjà l'intuition que la température est une mesure de la "froideur" ou de la "chaud" d'un objet. Beaucoup de gens sont obsédés par la vérification des prévisions afin de savoir quelle sera la température pour la journée. Mais que signifie vraiment la température en physique ?

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule dans une substance. Elle est différente de la chaleur, bien que les deux quantités soient intimement liées. La chaleur est l'énergie transférée entre deux objets à des températures différentes.

Toute substance physique à laquelle vous pourriez attribuer la propriété de température est constituée d'atomes et de molécules. Ces atomes et molécules ne restent pas immobiles, même dans un solide. Ils bougent et se tortillent constamment, mais le mouvement se produit à une si petite échelle que vous ne pouvez pas le voir.

Comme vous vous en souvenez probablement de votre étude de la mécanique, les objets en mouvement ont une forme d'énergie appelée

Il existe de nombreuses échelles différentes pour mesurer la température, mais les plus courantes sont les degrés Fahrenheit, Celsius et Kelvin.

L'échelle Fahrenheit est celle que connaissent le mieux ceux qui vivent aux États-Unis et dans quelques autres pays. Sur cette échelle, l'eau gèle à 32 degrés Fahrenheit et la température de l'eau bouillante est de 212 F.

L'échelle Celsius (parfois aussi appelée centigrade) est utilisée dans la plupart des autres pays du monde. Sur cette échelle, le point de congélation de l'eau est à 0 C et le point d'ébullition de l'eau est à 100 C.

L'échelle Kelvin, du nom de Lord Kelvin, est la norme scientifique. Le zéro sur cette échelle est au zéro absolu, là où tout mouvement moléculaire s'arrête. Elle est considérée comme une échelle de température absolue.

Pour convertir de Celsius en Fahrenheit, utilisez la relation suivante :

OùT​_​F​ est la température en degrés Fahrenheit, etT_Cest la température en Celsius. Par exemple, 20 degrés Celsius équivaut à :

Pour convertir dans l'autre sens, de Fahrenheit en Celsius, utilisez ce qui suit :

Pour convertir de Celsius en Kelvin, la formule est encore plus simple car la taille de l'incrément est la même et ils ont juste des valeurs de départ différentes :

• Dans de nombreuses expressions en thermodynamique, la quantité importante estT(le changement de température) par opposition à la température absolue elle-même. Parce que le degré Celsius a la même taille qu'un incrément sur l'échelle Kelvin,T_K​ = ​T_C, ce qui signifie que ces unités peuvent être utilisées de manière interchangeable dans ces cas. Cependant, chaque fois qu'une température absolue est requise, elle doit être en Kelvin.

Lorsque deux objets à des températures différentes sont en contact l'un avec l'autre, un transfert de chaleur se produit, avec de la chaleur s'écoulant de l'objet à la température la plus élevée vers l'objet à la température la plus basse jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit parvenu.

Ce transfert se produit en raison de collisions entre les molécules de plus haute énergie dans l'objet chaud avec les molécules de plus faible énergie dans l'objet plus froid, transférant l'énergie à dans le processus jusqu'à ce que suffisamment de collisions aléatoires entre les molécules dans les matériaux se soient produites pour que l'énergie soit également répartie entre les objets ou substances. En conséquence, une nouvelle température finale est atteinte, qui se situe entre les températures d'origine des objets chauds et froids.

Une autre façon de penser est que l'énergie totale contenue dans les deux substances finit par se répartir également entre les substances.

La température finale de deux objets à des températures initiales différentes une fois qu'ils atteignent l'équilibre thermique peut être trouvée en utilisant la relation entre l'énergie thermiqueQ, la capacité thermique spécifiquec, Massemet la variation de température donnée par l'équation suivante :

​Exemple:Supposons 0,1 kg de centimes de cuivre (c_c= 390 J/kgK) à 50 degrés Celsius sont déposés dans 0,1 kg d'eau (c_w= 4 186 J/kgK) à 20 degrés Celsius. Quelle sera la température finale une fois l'équilibre thermique atteint ?

Solution: Considérez que la chaleur ajoutée à l'eau des centimes sera égale à la chaleur retirée des centimes. Donc si l'eau absorbe de la chaleurQ_woù:

Alors pour les centimes de cuivre :

Cela permet d'écrire la relation :

Ensuite, vous pouvez utiliser le fait que les deux centimes de cuivre et l'eau doivent avoir la même température finale,T_F, tel que:

En branchant cesTexpressions dans l'équation précédente, vous pouvez alors résoudre pourT_F. Un peu d'algèbre donne le résultat suivant :

Le branchement des valeurs donne alors :

Remarque: si vous êtes surpris que la valeur soit si proche de la température initiale de l'eau, tenez compte des différences significatives entre la chaleur spécifique de l'eau et la chaleur spécifique du cuivre. Il faut beaucoup plus d'énergie pour provoquer un changement de température dans l'eau que pour provoquer un changement de température dans le cuivre.

Les thermomètres à mercure à bulbe de verre à l'ancienne mesurent la température en utilisant les propriétés de dilatation thermique du mercure. Le mercure se dilate lorsqu'il est chaud et se contracte lorsqu'il est froid (et à un degré beaucoup plus important que le thermomètre en verre qui le contient.) Ainsi, au fur et à mesure que le mercure se dilate, il monte à l'intérieur du tube de verre, permettant la mesure.

Les thermomètres à ressort – ceux qui ont généralement une face circulaire avec une aiguille en métal – fonctionnent également sur le principe de la dilatation thermique. Ils contiennent un morceau de métal enroulé qui se dilate et se refroidit en fonction de la température, provoquant le déplacement du pointeur.

Les thermomètres numériques utilisent des cristaux liquides sensibles à la chaleur pour déclencher des affichages numériques de la température.

Alors que la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule, l'énergie interne est le total de toutes les énergies cinétiques et potentielles des molécules. Pour un gaz parfait, où l'énergie potentielle des particules due aux interactions est négligeable, l'énergie interne totaleEest donné par la formule :

Oùmest le nombre de moles etRest la constante universelle des gaz = 8,3145 J/molK.

Sans surprise, à mesure que la température augmente, l'énergie thermique augmente. Cette relation montre également pourquoi l'échelle Kelvin est importante. L'énergie interne doit être n'importe quelle valeur 0 ou supérieure. Cela n'aurait jamais de sens que ce soit négatif. Ne pas utiliser l'échelle Kelvin compliquerait l'équation d'énergie interne et nécessiterait l'ajout d'une constante pour la corriger. L'énergie interne devient 0 à 0 K absolu.