°C vs. °F !

Chez moi, en France quand on parle de température on s'exprime en degré Celsius.

Mais qu'est ce que c'est les degrés Fahrenheit ? Et bien, c'est juste une autre échelle de température. Cette échelle est principalement utilisée aux États-Unis.

L'histoire des thermomètres

Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et afficher la valeur de la température. Un thermomètre est généralement un tube étroit dans lequel est contenu un fluide (alcool, mercure, ...). Lorsque la température s'élève, le fluide se dilate et ainsi, on verra le niveau du fluide monter à travers la paroi du tube.

Thermometre gradué Celsius et Farenheit
Thermomètre gradué en degrés Celsius et Farenheit

Le principe aurait été développé par le médecin Sanctorius au XVII siècle. Quelques années plus tard, cette invention fut perfectionnée en ajoutant sur le tube des graduations. (D'ailleurs le terme "degré" et "graduation" sont d'étymologie proche).

Depuis ce moment, plusieurs échelles de températures se sont succédées.

La première en 1702 : le danois Rømer fabriqua un thermomètre à alcool. Les points fixes de son échelle sont :

  • le point d'ébullition de l'eau : 60 °Rømer
  • le point de congélation de l'eau : 7,5 °Rømer

En 1717, l'allemand Fahrenheit propose un nouveau thermomètre, le principe reste le même, simplement il remplace l'alcool par du mercure.

Gabreil_Fahrenheit
Gabriel Fahrenheit

Suite à cela, il propose une nouvelle échelle. Cette échelle sera largement adoptée par la communauté scientifique de l'époque. Il choisit pour point fixe :

  • une température basse : 0°F est la température la plus basse qu'il ait pu mesurer durant l'hiver de 1708 à Danzig (soit -17,78 °C).
  • une température haute : 100 °F est la température du sang de cheval. (environ 37 ou 38 °C).

Avec cette échelle,

  • la température de solidification de l'eau est à 32 °F.
  • la température d'ébullition de l'eau est à 212 °F.

En 1741, Anders Celsius, astronome et physicien suédois, propose lui aussi une échelle de température.

Anders_Celsius
Anders Celsius

Il choisit pour points fixes les températures de changements d'états de l'eau à pression atmosphérique : - la température basse : 0°C est la température d'ébullition de l'eau. - la température haute : 100 °C est la température de solidification de l'eau.

Cette échelle a été inversée par ses collègues peu de temps après sa mort pour donner l'échelle de Celsius que nous connaissons aujourd'hui. Et peu à peu cette échelle fut adoptée par la communauté scientifique européenne du XVIIIème siècle.

Notons, que le point remarquable entre les échelles de températures Celsius et Fahrenheit est -40. Effectivement -40 °C représente la même température que -40 °F !

La conversion entre les échelles Celsius et Fahrenheit se fait telle que :

$$T(°C) = \frac{T(°F) - 32}{1,8}$$
$$T(°F) = T(°C)\cdot 1,8 + 32$$

La limite des thermomètres

Cependant les thermomètres à liquide utilisés à cette époque ont une limite importante. Quelle que soit l'échelle utilisée, lorsque le liquide arrive dans ces conditions de changement d'état (solidification ou vaporisation) cela pose un problème pour la mesure.

Il était temps de présenter une échelle qui ne dépendait pas du comportement d'un fluide liquide (eau, alcool ou mercure). Une échelle avec un zéro absolu.

Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister. Elle est théorique et inaccessible. Au zéro absolu il n'y a plus de mouvement de particules, donc la température est nulle (puisque représentant l'agitation des particules).

Plusieurs personnes ont évoqué cette idée avant qu'elle ne soit concrétisée par William Thomson.

Tout d'abord le français Guillaume Amontons, remarque en 1702 qu'il existe une relation entre la pression et la température des gaz. Il est le premier à proposer l'hypothese du zéro absolu.

Zéro absolu à partir de l'analyse des gaz
Zéro absolu à partir de l'analyse des gaz

Il remarque que lorsqu'il baisse la pression de différents gaz ceux-ci baissent aussi en température. Si il prolonge asymptotiquement les droites Pression-Température qu'il a obtenues par l'expérience, elles tirent vers le même point : le zéro absolu. Sa théorie ne sera pas poursuivie faute de thermomètre performant.

En 1824, lorsque Sadi Carnot sort ses Réflexions sur les machines motrices, il propose dans une de ses notes de bas de pages (d'abord négligée par les premiers commentateurs) que le rendement d'une machine thermique idéale pourrait servir de base pour une échelle de température.

Portrait de Sadi Carnot
Sadi Carnot

En 1848, c'est exactement cette idée là que développe William Thomson lorsqu'il propose une échelle de température absolue.

William_Thomson(Lord_Kelvin)
William Thomson - Lord Kelvin

Dans son échelle, une évolution (augmentation ou diminution) de la température mesurée correspond à une évolution équivalente de chaleur du corps étudié.

expérience echelle de temperature
Expérience illustrant l'échelle de Température absolue

Le rejet étant proportionnel à la différence de température, Thomson en déduit l'existence d'un zéro absolu. Maintenant pour avoir une échelle, il faut la graduer. Thomson se tourne vers le thermomètre de Celsius. Il sait que le moteur de Carnot placé entre une température froide de 0 °C et une température chaude de 100 °C a un rendement de 28,8 %. À partir de ça, il en déduit que 0 K (qui permet au moteur de Carnot un rendement de 100 %) correspond à 273,15 °C.

L'échelle de température mise en place par Thomson fut adoptée comme l'échelle de température du système international. Elle est aussi appelée l'échelle thermodynamique. Son travail révolutionna le domaine de la physique, car il permit de séparer définitivement le concept de température du comportement des fluides utilisés dans les thermomètres.

Suite à la publication de son échelle, William Thomson se consacra à une carrière scientifique. Il fut sacré Lord Kelvin en 1892. Le nom de l'unité internationale de température "kelvin" est attribué officiellement en 1948.

Sources de l'article:
Sites :
Pages Wikipédia :

Mais qu'est ce que la Température ?

La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre.

Dans la vie courante la température est liée aux sensations de chaud et de froid. Ce que l'on ressent sont les différences de températures entre notre corps et l'environnement extérieur. Si il y a une différence de température, alors il y a un transfert thermique. L'élément le plus chaud va se refroidir et l'élément le plus froid va se réchauffer.

Thermometre gradué Celsius Farenheit
Thermometre gradué en degrés Celsius et Farenheit

En physique; On sait que les particules qui composent un système matériel ne sont jamais au repos. Plus elles s'agitent plus il y a de frottements entre elles plus il y a une dissipation importante d'énergie thermique.

Agitation thermique d'une protéine
Agitation thermique d'un segment de la protéine alpha hélix (Wikipédia)

Ainsi la température est une grandeur physique qui caractérise cette dissipation thermique et de ce fait c'est une mesure indirecte de l'agitation moléculaire d'un système.