Température, équilibre thermodynamique et la loi zéro

La température n’est pas seulement un indicateur de froid ou de chaleur ; c’est une grandeur fondamentale pour comprendre comment les systèmes physiques atteignent l’équilibre. Dans ce contexte, la loi zéro de la thermodynamique et sa relation avec la mesure de la température jouent un rôle clé pour expliquer pourquoi les thermomètres fonctionnent et comment établir des échelles fiables. Ce principe, qui relie des corps apparemment isolés, est à la base de la compréhension des phénomènes thermiques qui influencent aussi bien la science que notre vie quotidienne. Rejoignez-nous pour explorer comment ce concept donne du sens au comportement de la chaleur et de l’énergie.

Objectifs d’apprentissage :
À la fin de cette leçon, l’étudiant sera capable de :

1. Comprendre le concept de température en tant que grandeur liée à l’équilibre thermodynamique.
2. Expliquer le processus de thermalisation et son caractère irréversible dans les systèmes physiques.
3. Définir l’équilibre thermodynamique et sa relation avec la température des corps.
4. Analyser la loi zéro de la thermodynamique comme base pour la mesure des températures.
5. Décrire le fonctionnement des thermomètres et leur dépendance aux propriétés thermométriques.
6. Identifier les propriétés physiques utilisées dans différents types de thermomètres, telles que la résistance électrique et la dilatation thermique.

TABLE DES MATIÈRES :
Équilibre thermodynamique
Thermomètres et mesure de la température

Dans les leçons précédentes, lorsque nous avons abordé le concept de chaleur, il a été nécessaire de parler en termes de température, bien que ce concept ait été peu ou pas défini. Maintenant, nous allons commencer à combler cette lacune en abordant la température et l’équilibre thermodynamique entre les systèmes physiques.

Équilibre thermodynamique

Lorsqu’on met deux corps en contact, on dit qu’il se produit un échange d’énergie. Comme nous l’avons vu précédemment, la chaleur est « une certaine énergie thermique en transit ». De plus, les expériences montrent qu’en l’absence de facteurs externes, la chaleur circule toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Par conséquent, l’énergie contenue dans les corps et leur température changent avec le temps.

Après un certain temps de contact, l’échange de chaleur cesse. Lorsque cela se produit, on dit que les corps sont en équilibre thermodynamique et, par conséquent, qu’ils ont la même température.

La première chose que nous remarquons à propos de ce phénomène est qu’il s’agit d’un processus irréversible. Deux corps à des températures différentes, lorsqu’ils sont mis en contact, tendent toujours vers l’équilibre thermique. Cependant, le processus inverse ne se produira pas à moins qu’une action externe ne soit appliquée. Ce processus d’approche de l’équilibre thermique est appelé thermalisation.

La loi zéro de la thermodynamique

Il est possible de généraliser ces idées à plusieurs corps ; c’est-à-dire que lorsque plusieurs corps sont en équilibre thermique, leurs températures devraient être les mêmes. Cette idée est cristallisée par la loi zéro de la thermodynamique.

Si deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont en équilibre thermique entre eux.

La loi zéro est la base fondamentale pour la mesure de la température : on met en contact un corps dont on veut mesurer la température avec un deuxième corps qui présente un comportement bien connu en fonction de la température et on attend qu’ils atteignent l’équilibre thermique. Le deuxième corps est appelé « thermomètre ». La loi zéro garantit que si nous avons calibré ce deuxième corps par rapport à un autre thermomètre standard, nous obtiendrons toujours des résultats cohérents. En y réfléchissant bien, cela suggère une manière plus intuitive d’exprimer la loi zéro, à savoir : « Les thermomètres fonctionnent ».

Thermomètres et mesure de la température

En ce qui concerne ce que nous avons vu jusqu’à présent, nous pouvons établir les considérations suivantes pour les thermomètres :

• Pour qu’un thermomètre fonctionne correctement, sa capacité calorifique doit être bien inférieure à celle de l’objet dont on veut mesurer la température. Sinon, le processus de mesure pourrait affecter la température de l’objet.
• Les thermomètres s’appuient sur une propriété thermométrique pour effectuer leurs mesures. Galilée a utilisé un thermomètre à eau basé sur la dilatation thermique, Fahrenheit a fait de même avec des thermomètres à alcool et à mercure. D’autres méthodes consistent à observer comment la résistance électrique d’un conducteur change en fonction de la température, à utiliser la dilatation thermique des gaz (à partir de l’équation des gaz parfaits), etc.

Propriétés thermométriques

Toutes ces méthodes utilisent une propriété mesurable, comme la résistance électrique, la pression ou la taille, qui dépend généralement d’une fonction complexe de la température. Bien qu’aucune de ces propriétés ne soit complètement linéaire sur toute son étendue, nous n’avons pas besoin de considérer toute l’étendue ; si l’étendue est suffisamment étroite, nous avons une relation quasi linéaire que nous pouvons exploiter.

Le problème de la température absolue

Le problème avec ces considérations est que les mesures de température obtenues sont relatives à une propriété thermométrique. Cela soulève la question : existe-t-il une mesure absolue de la température ? Au XIXᵉ siècle, ce problème a été résolu grâce à un raisonnement basé sur la « machine de Carnot ». Plus tard, on a découvert que la température pouvait être définie de manière statistique, ce que nous utilisons actuellement. Cependant, pour examiner ces idées correctement, il est nécessaire de comprendre d’abord les notions d’états micro et macro.