Chapitre 1 La température MPh 2008-2009 1 1-Qu’est-ce que la température ? Evaluation tactile imprécise et limitée. à l’échelle atomique traduit l’agitation moléculaire. est liée à l’énergie cinétique moyenne des constituants de la matière. 2 2-Approche thermodynamique Grandeur extensive Grandeur intensive la somme des valeurs pour deux systèmes disjoints est égale à la valeur de la grandeur pour la réunion des systèmes. Exemple : 2 corps de 1 kg ont la même masse qu’un corps de 2 kg caractérise les objets indépendamment de leur nombre on peut comparer les valeurs d’une grandeur intensive mais on ne peut pas les additionner. Exemple : 2 corps à 20°C n’ont pas la même température qu’un corps à 40 °C. Quelles grandeurs intensives/ extensives connaissez-vous ? Extensive : la masse, le volume, la surface, la longueur, la charge électrique, le débit, le nombre de particules Intensive : la pression, la masse volumique, 3 3-Echelles des températures Lesquelles connaissez-vous ? Savez-vous comment elles ont été établies? 4 4-L’échelle Fahrenheit notion de points d’étalonnage Un peu d’histoire… Fahrenheit décida de fixer le zéro de son échelle comme étant la plus basse température qu'il a mesurée durant le rude hiver de 1708 à 1709 dans sa ville natale de Danzig. • Plus tard, en laboratoire, il a atteint cette température lors de la solidification d'un mélange d'un volume égal de chlorure d'ammonium et d'eau. Il fixa la seconde valeur de son échelle avec la température du sang (il utilisa un cheval pour ses premières calibrations). • Quelle valeur donna-t-il à cette température ? Son échelle n'avait d’ d’abord que 12 divisions, mais plus tard il subdivisa chaque division en 8 degré é s degr égaux, d'où d'où la valeur de 96 ( =12 x 8) degré degrés pour le haut de son échelle. Il observa alors que l'eau gèle à 32 degrés et bout à 212 degrés. Il y a donc 180 degrés Fahrenheit entre la congélation et l'ébullition de l'eau. 5 5-Les points fixes Les points d’étalonnage doivent être reproductibles en laboratoire de métrologie. Quels points d’étalonnage proposez-vous ? les points triples : les 3 phases (solide, liquide et gaz) cohabitent simultanément dans le dispositif de mesure : • • • T et P sont fixées et uniques. 0 variable. Exemple : point triple de l’eau : T= 273,16 K P = 630 Pa Les points de congélation (Liquide Solide) • La pression doit alors être précisée. • Exemple : congélation de l’eau T = 273,15 K à P = 1,013.105 Pa 6 6 - L’EIT-90 Echelle Internationale de Température de 1990 Elle définit pour chaque domaine de températures • L’instrument spécifique de mesure et d’interpolation • Les points fixes de température • pour T > 0.65 K 7 Les instruments légaux d’interpolation Echelle des températures 0.65 K à 5 K 3 K à 26 K 14 K à 1235 K Au-delà de 1235 K Thermomètre légal d’interpolation Points fixes Thermomètre à pression de vapeur d’hélium Thermomètre à gaz Points triples de l’hydrogène (13.8033 K) du néon (24.5561 K) Thermomètre à résistance de platine Différents points fixes, au choix Pyromètre optique (loi de Planck) Points de congélation à P = 101 325 Pa de de l’or (1337.33 K) du cuivre (1357.77 K) 8 Tempé Température (en K) du point fixe Corps Type de point 24,556 1 néon triple 54,358 4 oxygè oxygène triple 83,805 8 argon triple 234,315 6 mercure triple 273,16 eau triple 302,914 6 gallium Fusion P = 101 325 Pa 429,748 5 indium congé congélation P = 101 325 Pa 505,078 étain congé congélation P = 101 325 Pa 692,677 zinc congé congélation P = 101 325 Pa 933,473 aluminium congé congélation P = 101 325 Pa 1 234,93 argent congé congélation P = 101 325 Pa 1 337,33 or congé congélation P = 101 325 Pa 1 357,77 cuivre congé congélation P = 101 325 Pa 9 7- L’échelle absolue des températures. Elle est définie à partir du kelvin Le kelvin est la fraction de 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau. Le zéro absolu correspondrait à • une absence totale d'agitation microscopique • T=0K 10 8- Le degré Celsius °C La température Celsius est définie par translation de l’échelle absolue θ = T - 273,15. Zéro absolu θ = - 273.15 °C Point triple de l’eau : θ = 0,01 °C. 11 9-L’échelle centigrade Définie à partir des points fixes suivants, à volume constant fusion de la glace ébullition de l’eau θ1 = 0 θ2 = 100 C’est la variation de température qui produit la 1/100 ième partie de l’accroissement de pression que subit le gaz parfait entre ces 2 points. 12 10-Les autres échelles thermométriques Kelvin K Degré Celsius °C Fahrenheit °F Rankine °R 0 -273,15 -459,67 0 Zéro absolu Équilibre eau liquide-glace à P = 101 325 Pa Équilibre eau liquide-vapeur à P = 101 325 Pa Point triple de l’eau 491,67 273,15 0 32 373,15 100 212 273,16 0,01 32,018 671,67 491,69 Correspondance Celsius – Fahrenheit : T (°F) = 9/5 θ (°C) + 32 Sera retrouvée en TD 13 11- Avez-vous compris ? Une variation de 1°Celsius est Supérieure Egale Inférieure à une variation de 1 Kelvin Une variation de 1°Celsius est Supérieure Egale Inférieure à une variation de 1°Fahrenheit 14 12- Applications Voici 3 échelles graduées Fahrenheit, Celsius ou Kelvin En quelle unités sont-elles graduées ? Compléter la température. 273,15 K 0 °C Échelle Celsius Échelle Kelvin 32 °F Échelle Fahrenheit 15 13-Comment repérer la température d’un corps ? Certaines propriétés des corps dépendent de la température volume, résistance électrique,… Elles peuvent être choisies pour construire des échelles empiriques de température. 16 14-Principe zéro de la thermodynamique 2 corps en contact prolongé se mettent en équilibre thermique ; 2 corps en équilibre thermique avec un même troisième sont en équilibre thermique entre eux ; Tous les corps en équilibre thermique entre eux sont caractérisés par une même température. 17 15-Repérage des températures A partir des variations thermiques de l’une des caractéristiques physiques d’un matériau donné, on définit une échelle permettant de repérer des températures et de constater l’égalité de deux températures. Attention : une telle échelle est totalement arbitraire, puisque liée à une propriété particulière d’un corps particulier : elle ne permet donc pas de donner à la valeur de la température une signification intrinsèque et par conséquent, elle n’autorise pas sa mesure mais son repérage. 18 16-Que retenir de ce cours ? T = agitation moléculaire Notion de grandeur intensive / extensive l’EIT-90 : Différentes échelles de T Comment sont définis les points fixes instruments légaux d’interpolation Fahrenheit / kelvin / Celsius Comment mesurer / repérer une température Principe zéro de la thermodynamique 19