Kelvin2

De Comment mesure-t-on ?
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En bref:
L'origine de la température peut être expliquée par l'agitation microscopique des molécules et des atomes.
L'origine de la température peut être expliquée par l'agitation microscopique des molécules et des atomes.
Le kelvin (symbole K) est l'unité du système international (SI) pour la température.

La température caractérise l'agitation des particules. Pour faire simple, plus les molécules bougent, plus il fait chaud. La température 0K correspond, en théorie, à la température où les particules sont immobiles. On appelle cette température le zéro absolu.

Dans la vie quotidienne, on utilise plutôt le degré Celsius (°C). Pour convertir des degrés Celsius en kelvin, il suffit d'ajouter 273,15 à la valeur de la température en degrés Celsius.

Comment définir le Kelvin ?

Définition officielle

Depuis 2018, le kelvin (symbole K), sur lequel est bâti l’échelle des températures, est défini à partir de constantes fondamentales de la physique . En particulier, le kelvin est défini à partir de la constante de Boltzmann, k. La valeur de la constante k est fixée, et vaut : [math]\displaystyle{ k = 1,380 ~649 ~\times ~10^{-23} }[/math] Le kilogramme, le mètre et la seconde sont eux-mêmes définis selon d’autres constantes de la physique ([math]\displaystyle{ c,~h,~ \Delta \nu_{Cs} }[/math]) on peut donc déterminer exactement K à partir de la valeur de k et celles des autres unités.


La constante de Boltzmann La physique statistique est la science qui étudie le comportement moyen d’un ensemble c de beaucoup de particules, plutôt que d’étudier le comportement de chacune des particules. La température telle qu’on la connaît est décrite par cette science, c’est-à-dire comme l’énergie cinétique moyenne des particules (leur agitation).

C’est dans le cadre de cette science qu’a été établie au XIXeme siècle la constante de Boltzmann k, par le physicien du même nom. Dans un gaz, cette constante fait le lien entre l’énergie cinétique du gaz et la température .

Equation de la théorique cinétique des gaz (physique statistique)

Définir le kelvin en pratique

thermomètre

En pratique, pour mesurer un degré kelvin, il faut déterminer avec précision la valeur de la constante de Boltzmann [math]\displaystyle{ k }[/math] grâce à des expérimentations. Il existe à ce jour deux expérimentations différentes qui permettent de mesurer [math]\displaystyle{ k }[/math] avec une très grande précision et d'une façon assez simple pour les scientifiques. Ces méthodes officielles sont reconnues par le Comité international des poids et mesures (CIPM) qui valide les moyens de définir les unités telles que le kelvin.


  • La première méthode reconnue est la thermométrie primaire. Elle consiste à utiliser un thermomètre basé sur des phénomènes physiques connus (la vitesse du son dans un gaz par exemple). Ces phénomènes font intervenir des équations qui relient directement la température aux autres grandeurs (Volume, Pression, etc.) fixées ou mesurées, sans l'aide d'autres constantes fondamentales. C'est de cette manière que l'on peut déterminer la constante de Boltzmann [math]\displaystyle{ k }[/math].


  • La deuxième méthode reconnue est celle des échelles de température. Cette méthode utilise les "points fixes" de températures, c'est-à-dire les températures pour lesquelles il se passe un phénomène physique connu (lorsque l'eau liquide devient de la glace par exemple). Pour cela on sélectionne une liste de phénomènes physiques (liés à des changements d'états) auxquels on attribue des températures fixes, puis on crée l'échelle des températures grâce à ces phénomènes et des formules mathématiques.



Diagramme des phases de l'eau c'est-à-dire l'état de l'eau en fonction de la température et de la pression
Changements d'états.
  • Toute la matière qui nous entoure, l'eau, les arbres, nos vêtements, etc. peut se trouver sous 3 états différents (ou phase différente) : solide, liquide et gazeux .
  • L'état dans lequel la matière se trouve dépend surtout de la température et de la pression. Par exemple pour 25°C et à pression atmosphérique, le métal est solide, l'eau est liquide, et l'air est gazeux.
  • Lorsque l'on passe d'un état à l'autre (liquide à gazeux par exemple) on observe un changement d'état.
  • Le point triple que l'on peut voir sur un diagramme des phases, est le point de température et pression fixée pour lequel un élément est à la fois solide, liquide et gazeux.

Histoire du kelvin

Mesurer la température

Différence entre degré kelvin, celsius et fahrenheit

Outils de mesure de la température

Bibliographie/Webographie

  • Laboratoire National de Métrologie et d’Essais. Le SI et la métrologie en France. EDP Sciences, 2019. ISBN : 978-2-7598-2370-3
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