Kelvin

En bref: L'origine de la température peut être expliquée par l'agitation microscopique des molécules et des atomes. Le kelvin (K) est l'unité du système international (SI) pour la température. L'échelle des degrés Celsius (°C) et des kelvins est la même, sauf que le 0 K est le zéro absolu (-273,15°C). Les deux échelles sont donc décalées de 273,15 unités. On a donc [math]\displaystyle{ T_{K} = T_{C} + 273,15 }[/math].

Degré Celsius et Kelvin

Etat de l'eau selon la température et la pression.
Une atmosphère (atm) correspond à une pression d'environ 100 000Pa. Il s'agit de la pression atmosphérique normale.

Historiquement, l'échelle de mesure de la température était défini ainsi:

• Le point de congélation de l'eau correspond à une température de 0°C (degrés Celsius),
• Le point d'ébullition de l'eau correspond à une température de 100°C.

Ces points sont définis sous la pression atmosphérique, qui vaut environ 1bar soit [math]\displaystyle{ 10^{{5}} }[/math]Pa. En effet, l'état de la matière dépend de la température mais aussi de la pression.

Cette échelle correspond à l'échelle centigrade, qui est donc une échelle relative.

En 1848, Lord Kelvin propose une nouvelle échelle de température, absolue cette fois: le zéro absolu correspond à la température où il n'y a plus aucune agitation thermique des molécules. Il s'agit donc de la température la plus basse qui puisse exister dans l'univers. Le zéro absolu correspond à une température de 0K. Dans cette échelle, le point de référence est le point triple de l'eau: il s'agit des conditions dans lesquelles les trois états solide, liquide et gaz de l'eau coexistent. La température du point triple de l'eau est fixée à 273,16K.

L'échelle Celsius a donc été redéfinie ainsi: [math]\displaystyle{ T_{K} = T_{C} + 273,15 }[/math] avec [math]\displaystyle{ T_{K} }[/math] la température en Kelvin et [math]\displaystyle{ T_{C} }[/math] la température en degrés Celsius. Une variation de 1°C correspond donc à une variation de 1K.

Dans la vie courante, nous utilisons principalement les degrés Celsius. Mais l'unité du système international pour la température est le Kelvin.

Comment mesurer la température?

Thermoscope de Galilée

Le thermoscope

Au début du 17e siècle, Galilée comprend que l'air se dilate avec la chaleur, et se contracte avec le froid. Il met alors au point un appareil appelé thermoscope.

Cet appareil est composé d'un ballon en verre relié à un tube fin, en verre également. Le tube est plongé dans un liquide. Lorsque le ballon, et donc l'air qui est à l'intérieur, est chaud, ce dernier se dilate et prend plus de place. Le niveau du liquide (de l'eau) présent dans le tube baisse donc. Lorsque l'air se refroidit, il se contracte, prend moins de place et le niveau du liquide augmente.

Cet appareil ne permet pas de mesurer la température à proprement parler, mais des variations de température.

Thermomètre à alcool

Thermomètre à alcool

La plupart des thermomètres fonctionnent sur le principe de la dilatation des corps avec la chaleur. Un thermomètre à alcool est composé d'un tube de verre très fin dans lequel se trouve de l'alcool coloré. Lorsque la température augmente, l'alcool se dilate et son niveau dans le tube augmente.

Il faut alors étalonner le thermomètre pour placer les graduations au bon endroit. Pour cela, soit on compare le thermomètre à étalonner à un autre thermomètre, soit on l'étalonne par rapport à un phénomène physique dont on connait la température. Par exemple, dans l'échelle Celsius, la plus utilisée dans la vie courante, on sait que l'eau gèle à 0°C et bout à 100°C. On marque alors ces points, puis il suffit de diviser l'intervalle entre ces deux valeurs de manière régulière.

Thermomètre de Galilée

Thermomètre à cadran et aiguille

Thermomètres électroniques

Pour aller plus loin

Fonctionnement du thermoscope de Galilée, Museo Galileo (1min20)

Bibliographie/Webographie

BIPM: Unité de température thermodynamique (kelvin) [en ligne]. Brochure sur le SI : Le Système international d'unités [8e édition, 2006 ; mise à jour en 2014]. [consulté le 5 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure/kelvin.htm>

Météo France: La mesure de la température. [en ligne]. Version 1.0 - décembre 2008. [consulté le 5 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://files.meteofrance.com/files/education/temperature.pdf>

Article Wikipédia: Thermomètre