Température

Pour les articles homonymes, voir Température (homonymie).

Un exemple de thermomètre Celsius indiquant une température diurne hivernal de -17°C.

La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert thermique entre le corps humain et son environnement. En physique, elle se définit de plusieurs manières : comme fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules (en théorie cinétique des gaz), par l’équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou à partir de l’entropie (en thermodynamique et en physique statistique). La température est une variable importante dans d’autres disciplines : météorologie et climatologie, médecine, et chimie.

L’échelle de température la plus répandue est le degré Celsius, dans laquelle la glace (formée d'eau) fond à 0 °C et l'eau bout à environ 100 °C dans les conditions standard de pression. Dans les pays utilisant le système impérial (anglo-saxon) d’unités, on emploie le degré Fahrenheit où la glace fond à 32 °F et l'eau bout à 212 °F. L’unité du système international d'unités (SI), d’utilisation scientifique et définie à partir du zéro absolu, est le kelvin^[1] dont la graduation est presque identique à celle des degrés centigrades.

Comparaison des échelles de température Celsius, Fahrenheit et Kelvin:
zéro absolu, points de fusion de la glace et d'ébullition de l'eau
dans les conditions de pression standard
Échelle	°C	°F	K
Zéro absolu	-273,15	-459,67	0
Fusion	0	32	273,15
Ébullition	100	212	373.15

Introduction

Origine physique

L'agitation thermique des molécules d'un gaz donne un aperçu de leur température.

Les particules qui composent un système matériel (molécules ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et possèdent donc une certaine énergie cinétique. La température est une mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules. Par ailleurs, un espace vide de matière mais dans lequel de la lumière se propage contient lui aussi de l'énergie. Dans de bonnes conditions^[2], on peut associer une température à ce rayonnement qui mesure l'énergie moyenne des particules qui le constituent. Un exemple important de rayonnement thermique est celui du corps noir dont un exemple est donné par les étoiles dont le rayonnement révèle la température des atomes qui sont à sa surface.

Lorsque deux corps entrent en contact, ils échangent spontanément de l'énergie thermique : l'un des deux corps a des particules qui ont plus d'énergie cinétique, en les mettant en contact, les chocs entre particules font que cette énergie cinétique microscopique se transmet d'un corps à l'autre. C'est ce transfert d'énergie qui, en sciences physiques, est appelé chaleur. Ces transferts d'énergie mènent spontanément à un état d'équilibre thermique où les deux corps en présence ont la même température.

Vocabulaire

La température ambiante est la température de l'environnement, c'est-à-dire tout l'univers sauf le système considéré.

Néanmoins, en pratique, dans les domaines de la physique et de la chimie, il est courant de parler température ambiante pour une température courante, moyenne. Par exemple, on dit « l'eau est liquide à la température ambiante ». Mais cette dénomination n'est pas très formalisée et la valeur de la température ambiante est rarement précisée (le plus souvent évaluée de manière commune à 25 °C).

La température normale signifie en général le 0 de l'échelle courante : c'est le plus souvent 0 °C.

Quelques ordres de grandeur

L'évaporation qui suit une averse typique d'une heure en été en Europe réduit la température de deux degrés environ.

Article détaillé : Ordre de grandeur.

Définition en thermodynamique

Article détaillé : Température thermodynamique.

En thermodynamique, la température est définie à partir de l'énergie totale d'un système (appelée dans ce contexte énergie interne) et du nombre d'états que celui-ci peut posséder pour une valeur fixée de cette énergie, qui est donnée par la notion d'entropie. On parle alors de température thermodynamique, qui se mesure en Kelvin et dont le minimum est le zéro absolu, inaccessible en pratique du fait de propriétés quantiques. 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,00000000045 K), c'est-à-dire -273,14999999955 °C, est le record atteint en 2003^[3] au laboratoire de recherches du Massachusetts Institute of Technology (MIT) par une équipe codirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle.

Dans certaines expériences de physique, le calcul de la température au moyen de sa définition thermodynamique peut exceptionnellement aboutir à des valeurs négatives. Ces valeurs négatives sont extrêmement faibles (de l'ordre de quelques picokelvins à quelques nanokelvins). Elles apparaissent dans la mesure de certains systèmes quantiques très particuliers dont l'entropie, après avoir atteint un maximum, se met à diminuer à mesure qu'on leur ajoute encore de l'énergie^[4]^,^[5]. Le signe moins n'apparaît donc que parce que le sens de la variation utilisée dans la formule a fini par s'inverser. Les échantillons pour lesquels on mesure de telles températures absolues négatives ne sont pas « plus froids » que le zéro absolu puisqu'ils fourniraient de la chaleur à tout autre système qui viendrait à leur contact. Les températures absolues négatives ne signifient pas non plus que la température est passée à un moment quelconque par le zéro absolu, « ce dernier restant impossible à atteindre »^[6].

Mesure de la température : la thermométrie

Article détaillé : Thermométrie.

Histoire de la thermométrie

Article détaillé : Histoire de la thermométrie.

Échelles

L'unité légale de température dans le système international est le kelvin de symbole K (noter l'absence du symbole ° car ce n'est pas une échelle de mesure). Il existe d'autres systèmes de mesures antérieurs et toujours utilisés : les échelles Celsius, centigrade, Fahrenheit et Rankine.

Le kelvin: il est défini à partir du point triple de l'eau : un kelvin est égal à 1/273,16 fois la température du point triple de l'eau^[7]. Le zéro absolu, correspondrait à la limite à une absence totale d'agitation microscopique et à une température de −273,15 °C ; mais on ne peut jamais l'atteindre (penser que l'entité physique est plutôt 1/T, et on ne peut jamais atteindre l'infini). Cette unité permet de définir une échelle absolue des températures.

Article détaillé : Kelvin.

Le degré Celsius: c'est le kelvin auquel on retire 273,15 K^[7]. Son unité est le °C. Elle est une simple translation de l'échelle absolue (voir ci-après). La température du point triple de l'eau y a donc pour valeur 0,01 °C.

Article détaillé : Degré Celsius.

Les échelles centigrades: l'échelle de mesure est telle que 0 et 100 sont fixés. Elle est appelée centigrade car les deux points de référence sont distants de 100°. Entre les deux, c'est la dilatation du mercure qui définit l'échelle.; Par exemple dans l'échelle centigrade, le zéro correspond à la température de la glace fondante et 100 degrés centigrades correspond à la température d'ébullition de l'eau sous une pression de 1 atmosphère.

Article détaillé : Degré centigrade.

L'échelle Fahrenheit: son symbole est °F. Elle attribue une plage de 180 °F entre la température de solidification de l'eau et sa température d'ébullition. On la déduit de l'échelle Celsius par une fonction affine (voir ci-après). Elle fixe le point de solidification de l'eau à 32 °F et le point d'ébullition à 212 °F.

Article détaillé : Fahrenheit.

L'échelle Rankine: c'est une simple homothétie de l'échelle absolue avec un facteur 9/5 (voir ci-après).

Article détaillé : Échelle Rankine.

Conversion

Le tableau ci-dessous résume les formules permettant de convertir une température entre les différentes échelles.

À partir de :	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankine	Réaumur
$T_{\mathrm{Kelvin}} =~$	$T_{\mathrm K}~$	$T_{\mathrm C} + 273,15~$	$\tfrac{5}{9}\,(T_{\mathrm F}+459,67)$	$\tfrac{5}{9}\,T_{\mathrm{Ra}}$	$\tfrac{5}{4}\,T_{\mathrm{Re}} + 273,15~$
$T_{\mathrm{Celsius}} =~$	$T_{\mathrm K} - 273,15~$	$T_{\mathrm C}~$	$\tfrac{5}{9}\,(T_{\mathrm F}-32)$ .	$\tfrac{5}{9}\,(T_{\mathrm{Ra}}-491,67)$	$\tfrac{5}{4}\,T_{\mathrm{Re}}$
$T_{\mathrm{Fahrenheit}} =~$	$\tfrac{9}{5}\,T_{\mathrm K} - 459,67$	$\tfrac{9}{5}\,T_{\mathrm C} + 32$	$T_{\mathrm F}~$	$T_{\mathrm{Ra}}-459,67~$	$\tfrac{9}{4}\,T_{\mathrm{Re}} + 32$
$T_{\mathrm{Rankine}} =~$	$\tfrac{9}{5}\,T_{\mathrm K}$	$\tfrac{9}{5}\,T_{\mathrm C} + 491,67$	$T_{\mathrm F}+459,67~$	$T_{\mathrm{Ra}}~$	$\tfrac{9}{4}\,T_{\mathrm{Re}} + 491,67$
$T_{\mathrm{Reaumur}} =~$	$\tfrac{4}{5}\,(T_{\mathrm K} - 273,15)$	$\tfrac{4}{5}\,T_{\mathrm C}$	$\tfrac{4}{9}\,(T_{\mathrm F}-32)$	$\tfrac{4}{9}\,(T_{\mathrm{Ra}}-491,67)$	$T_{\mathrm{Re}}~$

Comparaison des échelles de température

Comparaison des échelles de température^{[alpha 1]}
Commentaire	kelvin^{[alpha 2]}	Celsius	centigrade	Fahrenheit originelle	Fahrenheit historique	Fahrenheit moderne (actuelle)	Rankine	Delisle	Newton	Réaumur	Rømer
Zéro absolu	0	−273,15	−273,197			−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
Plus basse température naturelle notée par télédétection à la surface de la Terre (pas in situ)^{[alpha 3]}	180,0	−93,2				-135,8	323,9	289,8	-30,8	-74,6	-41,4
Mélange eau/sel de Fahrenheit				0
Origine de l'échelle Celsius moderne	273,15	0				32	491,67	150	0	0	7,5
Température de fusion de l’eau (à la pression standard)^{[alpha 4]}	273,150 089(10)	0,000 089(10)	0	32	32	32,000 160(18)	491,670 160(18)	≈ 150	≈ 0	≈ 0	≈ 7,5
Température du point triple de l’eau	273,16	0,01				32,018
Température moyenne à la surface de la Terre	288	15				59	518,67	127,5	4,95	12	15,375
Température moyenne du corps humain	309,95	36,8				98,24	557,91	94,8	12,144	29,44	26,82
Plus haute température naturelle enregistrée à la surface de la Terre^{[alpha 5]}	329,8	56,7				134	593,67	67,5	18,7	45,3	33,94
Température de vaporisation de l’eau (à la pression standard)	373,1339	99,9839	100	≈ 212	212	211,971	671,641	0	33	80	60
Température de fusion du titane	1 941	1 668				3 034	3 494	−2 352	550	1 334	883
Température estimée de la surface du Soleil	5 800	5 526				9 980	10 440	−8 140	1 823	4 421	2 909
↑ Certains nombres de ce tableau ont été arrondis. Les valeurs en gras sont celles qui, par définition des différentes échelles, sont exactes (= qui ont un nombre infini de chiffres significatifs). ↑ La désignation de l’échelle « kelvin » est tout en minuscules car c’est une unité du Système international, même si elle porte le nom de Lord Kelvin. Par contre le symbole est un K majuscule. ↑ Enregistrée par satellite en Antarctique le 10 août 2010 ^[8] ↑ La température étant aujourd'hui définie par le point triple de l'eau fixé à 0,01°C, il en résulte que la température de fusion de l'eau mesurée précisément est de 0,000 089(10) °C. ↑ Enregistrée à Furnace Creek aux États-Unis le 10 juillet 1913^[9].

Techniques de mesure

Capteur thermométrique
Thermoscope
Thermomètre
Thermomètre à résistance de platine
Thermocouple
Thermomètre infrarouge
Pyromètre
Thermistance
Thermomètre à minimum et maximum

Contrôle

Thermostat
Climatisation
Réfrigération, Réfrigérateur, Froid industriel, Production du froid
Bain thermostaté, Étuve de laboratoire, Four, etc.
Cryogénie, Cryostat

En météorologie

Dans le domaine de la météorologie, la température de l'atmosphère s'écrit souvent T°. A proximité du sol, elle prise sous abri à 2 mètres du sol. On parle de température éolienne, pour exprimer la température ressentie sous l'effet du vent, aussi connue sous température subjective, impression de chaud ou froid, ou encore température au vent (pour plus de détails, voir Refroidissement éolien).

La température sèche correspond à la température classique donné par un thermomètre mais protégé de l'humidité et des radiations. Sur un diagramme de l'air humide, la courbe de température constante est une droite verticale.

On mesure la température humide, ou température du thermomètre mouillé, avec un thermomètre sur lequel de l'eau s'évapore. On utilise généralement de la mousse mouillée que l'on ventile. La température humide est toujours inférieure à la température sèche ; elles sont d'autant plus égales que l'humidité relative est proche de 100 %. L'instrument utilisé pour mesurer simultanément températures sèche et humide est le psychromètre.

Voir aussi :

Amplitude thermique
Records de température sur Terre
Point de rosée
Point de givrage

En biologie et médecine

Animaux homéothermes, poïkilothermes
Température corporelle

En ce qui concerne la qualité de l'air intérieur et la santé des individus, une température bien réglée est fondamentale. En effet, trop élevée, elle favorise le développement d'acariens et de moisissures^[10]. Bien réglée, elle permet de faire des économies énergétiques et indirectement financières non négligeables^[11]

En physique

Il existe de nombreuses définitions de la température dès que l'objet considéré n'est pas à l'équilibre thermique. On repère par des noms caractéristiques diverses températures signalant un changement brutal de propriétés d'un corps. Voir Température (homonymie) pour plus de détails.

Aspects sociopsychologiques

Selon la culture, la chaleur de l'environnement, d'un habitat, de vêtements, d'objets ou de la nourriture évoque différentes choses et favorise différents comportements sociaux. Les mots « chaleureux » ou « froid » ou des expressions telles que « à mains froides cœur chaud » montrent l'importance sous-jacente de la chaleur dans les interactions humaines.

Des expériences ont montré qu'un sujet tenant une tasse de café chaud tend à trouver les autres plus chaleureux et attentionnés que s'il tient un café glacé. Il offrira plus volontiers un cadeau à son entourage après avoir tenu un café chaud, alors qu'il tendra à s'occuper de lui après avoir tenu un café glacé^[12].

Notes et références

↑ Nom commun dérivé du nom de William Thomson (Lord Kelvin).
↑ Lorsque le rayonnement est en état d'équilibre thermodynamique.
↑ (en) MIT team achieves coldest temperature ever
↑ (en) Norman F. Ramsey, Spectroscopy with coherent radiation: selected papers of Norman F. Ramsey with commentary, Singapore; River Edge, N.J., World Scientific,‎ 1998, 417 p. (ISBN 9789810232504, OCLC 38753008)
↑ (en) « Positive and negative picokelvin temperatures »
↑ Roger Balian. Vrai ou faux, une température absolue peut-elle être négative ? In Pour la Science, mars 2013, n^o 425, p. 19.
1 2 Bureau International des Poids et Mesures
↑ NASA, « La Nasa identifie l'endroit le plus froid de la Terre », Le Figaro,‎ 11 décembre 2013 (consulté le 25 avril 2015)
↑ Commission de climatologie, « Communiqué de presse n^o 956 », Organisation météorologique mondiale,‎ 13 septembre 2012
↑ « Les moisissures »
↑ « Les conseils de vos médecins pour votre air intérieur »
↑ (en) Lawrence E. Williams et John A. Bargh, Experiencing Physical Warmth Promotes Interpersonal Warmth, Science 24 octobre 2008, vol. 322, n^o 5 901, p. 606-607, DOI:10.1126/science.1162548

Voir aussi

Articles connexes

Chaleur
Température thermodynamique
Zéro absolu
Température négative
Transfert thermique
Chauffage
NF X 15-140
Principe d'équivalence temps-température

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