Kelvin

En bref: 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 est liée à l'agitation des molécules au niveau macroscopique. Pour faire simple, plus les molécules bougent, plus il fait chaud. La température 0K correspond à la température où il n'y a plus aucune agitation thermique des molécules. 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. Pour mesurer une température, on utilise un thermomètre. La plupart du temps, le principe de cet instrument se base sur la dilatation des corps avec la chaleur : en effet, lorsqu'il fait chaud, le volume des objets augmente légèrement. C'est pour cela que, sur un thermomètre à alcool, le niveau de liquide augmente lorsque la température augmente.

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 de Galilée

Le thermomètre de Galilée est composé d'un tube en verre rempli d'un liquide dans lequel se trouvent des flotteurs avec une densité proche de celle du liquide.

Densité

Sous chaque flotteur, un médaillon est accroché et indique une température. Lorsque la température de la pièce dans laquelle se trouve le thermomètre augmente, la densité du liquide augmente. Lorsque cette densité devient plus faible que la densité d'un des flotteurs, celui-ci coule. Les flotteurs coulent alors un par un lorsque la température augmente.

Thermomètre à cadran et aiguille

Thermomètre à cadran et aiguille

Un thermomètre à cadran et aiguille fonctionne également sur le principe de la dilatation, mais de métaux cette fois. Deux lames de métaux différents sont collées l'une à l'autre, puis enroulées en spirale. Le centre de la spirale est fixé au centre du cadran, et l'extérieur est libre. Comme les deux métaux ont des coefficients de dilatation différents (c'est-à-dire qu'ils ne vont pas se dilater à la même vitesse), la spirale va se déformer lorsque la température change, ce qui va déplacer la pointe extérieure et donc l'aiguille, qui indiquera la température correspondante sur le cadrant.

Thermomètres électroniques

Thermistances

Une thermistance est une résistance qui possède la propriété de varier en fonction de la température. Elles peuvent être utilisées pour des températures allant jusqu'à 300°C, soit 573,15K.

Résistance

Thermocouples

Infrarouge

Un thermomètre à infrarouge mesure la température d'un objet à partir du rayonnement infrarouge qu'il émet.

Les rayonnements infrarouges sont des rayonnements électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 700nm et 1mm. Ils ont une longueur d'onde supérieure au rayonnement visible et inférieure aux micro-ondes.

Pour les températures élevées, comme un four où un incendie, un pyromètre fonctionne sur le même principe.

On peut ainsi mesurer des températures sans contact, à distance.

Pour aller plus loin

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

Le thermomètre de Galilée, Physique à main levée (2min)

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