Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Prenons la température

 

Aujourd'hui, il fait 20°C à l'ombre en France. Doit-on en conclure simplement qu'il fait deux fois plus chaud au Maroc (40°C à l'ombre) ?

C'est l'évidence même : si j'ai récolté deux radis l'année dernière, et que je double ma récolte cette année, j'ai donc récolté quatre radis cette année. Eh bien ce n'est pas si simple. La température "deux fois plus chaude" que 20°C est... 313°C !

Pour comprendre cette bizarrerie, il faut bien être conscient que la température et la chaleur sont deux choses différentes : la chaleur est une forme d'énergie, alors que la température est notre façon toute humaine de dire comment cette chaleur est concentrée dans un objet.

Commençons par la chaleur. La quantité de chaleur contenue dans un objet peut être exprimée en calories, comme s'il s'agissait d'un pain au chocolat. Mais vous serez d'accord avec moi si je dis qu'un maxi pain au chocolat contient plus de calories qu'un petit, n'est-ce pas ? Eh bien c'est la même chose avec l'énergie contenue dans n'importe quelle substance. Un litre d'eau bouillante contient deux fois plus d'énergie qu'un demi-litre de la même eau bouillante, et ce bien que leur température soit identique et égale à 100°C.
Un autre exemple : il y a beaucoup plus de chaleur dans une baignoire remplie d'eau chaude que dans un verre que vous pourriez remplir dans cette baignoire, simplement parce qu'il y a plus de molécules chaudes dans la baignoire. Pour résumer, plus l'échantillon est grand, plus il contient de chaleur.

Le problème que l'on se pose entre la France et le Maroc, c'est donc celui d'évaluer la chaleur contenue dans l'air extérieur - disons dans un mètre-cube de cet air. Alors, s'il y avait deux fois plus de chaleur par mètre-cube dans l'air extérieur du Maroc que dans celui de France, on pourrait vraiment dire qu'il y ait "deux fois plus chaud".
Comment connaître la quantité de chaleur contenue dans un objet ? Mesurer sa température ne suffira pas, car on ne tient pas compte de la taille de l'objet. Comme nous l'avons glissé avec la baignoire, un objet de grande taille peut être à la même température qu'un objet plus petit contenant beaucoup moins de chaleur. Qui plus est, les températures, qu'elles soient exprimées en degrés Celsius ou Fahrenheit, ne sont rien de plus que des nombres arbitraires, inventés par ces deux hommes éponymes. Elles sont juste des points de repère faciles à utiliser - des nombres sur lesquels tout le monde s'est mis d'accord, comme s'ils avaient été proclamés sur le Mont Sinaï : "Quand glace fondra, la température 0 degré Celsius ou 32 degrés Fahrenheit tu nommeras. Et quand eau bouillira, la température 100 degrés Celsius ou 212 degrés Fahrenheit tu nommeras." Ces proclamations ne furent pas faites par Dieu, mais par messieurs Celsius et Fahrenheit.

Mais la quantité de chaleur contenue dans un objet ne doit pas dépendre des fantaisies des hommes et de leurs nombres. Il nous faut une échelle absolue pour étiqueter la quantité de chaleur que contient un objet.
Le coeur du problème est que, dans ces deux échelles, une température nulle ne signifie pas une chaleur nulle. Zéro degré Celsius, par exemple, est simplement la température à laquelle la glace fond. Cela signifie-t-il qu'il n'existe rien de plus froid que la glace en train de fondre ? Sûrement pas, et nous le savons bien puisque nous parlons couramment de températures négatives l'hiver.
Voyons les choses sous cet angle : comment utiliser une règle pour mesurer la longueur de quelque chose, si son zéro ne signifie pas vraiment zéro ? Imaginez un double-décimètre sur lequel l'indicateur de "zéro centimètre" serait placé quelque part au milieu plutôt qu'à l'extrémité gauche. Imaginez les mesures fantaisistes que vous obtiendriez...

Si l'on veut pouvoir mesurer la quantité de chaleur contenue dans un objet, il nous faut une échelle de valeurs pour laquelle zéro signifie qu'il n'y a pas de chaleur du tout. Et c'est là qu'intervient Lord Kelvin, aristocrate et scientifique britannique (1824-1907), dont le nom d'usage est William Thomson.
Kelvin a mis au point une échelle de température qui indique zéro quand il n'y a pas de chaleur du tout - une température nulle, à laquelle les choses sont aussi froides que possible : le "zéro absolu". Il a ensuite emprunté les degrés de M. Celsius, et a commencé à  compter à partir de là. Quand on fait ça, la température de fonte de la glace, 0°C, se trouve à 273 degrés au-dessus du zéro absolu, et la température d'ébullition de l'eau - 100°C - se trouve à 373 degrés au-dessus du zéro absolu. La température du corps humain (37°C) a une valeur de 310 kelvins (symbole : K) dans cette échelle absolue (anecdote à placer chez votre médecin). On obtient donc la température en kelvins en prenant la température en degrés Celsius et en y ajoutant 273 degrés.

Nous pouvons maintenant répondre à notre question France-Maroc. Si l'air du Maroc contient deux fois plus de chaleur par mètre-cube que celui de France, alors ce qu'il faut doubler c'est la température absolue de l'air français : 273 + 20 = 293 kelvins, ce qui représente une véritable mesure de la quantité de chaleur contenue dans l'air. Le double est donc 586 kelvins, et cette température absolue correspond à 586 - 273 = 313°C.
Donc pour avoir deux fois plus chaud dans votre chambre à 20°C, il faudra placer le thermostat sur la position 313°C !

Pour conclure : Une image troublante
Si une chute d'eau coule spontanément du lac A au lac B, cela signifie-t-il qu'il y a plus d'eau dans le lac A que dans le lac B ?

Dans cette question, il s'agit de faire jouer à la chaleur le rôle de la quantité d'eau et à la température le rôle de l'altitude.  La chute ne se préoccupe bien sûr pas de la taille des lacs : tout comme l'eau des lacs s'écoule d'un point d'altitude élevée vers un point d'altitude plus faible sans tenir compte des quantités d'eau mises en jeu, la chaleur s'écoule d'un objet de température plus élevée vers un objet de température plus basse, quelles que soient la taille des objets et la quantité de chaleur qu'ils renferment. C'est la différence de température qui compte - la différence d'énergie entre les molécules plus chaudes et plus rapides, et les molécules plus froides et auxquelles elles vont transmettre leur énergie.

 

Pourquoi le froid a-t-il une limite ?

La chaleur, c'est de l'énergie. Quel genre d'énergie ?
Ce n'est pas de l'énergie électrique ou nucléaire, pas plus que le genre d'énergie que vous avez quand vous roulez à toute vitesse sur l'autoroute (énergie cinétique) ou en montant au sommet d'une montagne (énergie potentielle de pesanteur). C'est l'énergie qu'un objet contient en lui-même, car les particules dont il est constitué, ses atomes et ses molécules, vibrent et rebondissent autour de leur emplacement comme une bande de forcenés dans des cellules capitonnées. Plus le mouvement des particules est rapide, plus on dit que l'objet est chaud : plus sa température est élevée. Mais, à température égale, un objet de grande taille contient plus d'énergie de chaleur qu'un petit car il contient plus de particules en mouvement.
Lorsqu'on refroidit un objet en lui prenant de la chaleur, cette énergie est perdue par les particules en mouvement, qui ralentissent. A la limite, si on refroidit cet objet suffisamment, on devrait atteindre un état où les particules s'immobilisent. Nous avons alors atteint la température la plus basse possible : le zéro absolu.
Et pendant qu'on y est, chez le médecin, évitez de dire que vous n'avez pas température : si votre corps a atteint le zéro absolu, inutile de consulter...

Le mouvement des atomes et des molécules ne s'arrête pas totalement au zéro absolu. La théorie nous dit qu'il reste une énergie résiduelle très faible. Mais le zéro absolu est basé sur le mouvement moléculaire de toute façon : c'est la température à laquelle le gaz serait tellement contracté par le froid qu'il disparaîtrait totalement. Personne n'a encore réussi à refroidir une substance jusqu'au zéro absolu - et là encore, la théorie nous dit qu'il ne peut pas être atteint - bien que des expériences aient réussi à l'atteindre à quelques milliardièmes de degré près. Entre autres précautions, il faudrait maintenir l'échantillon à refroidir à l'intérieur d'un isolant absolu, qui ne laisserait pas passer la moindre chaleur... et ce n'est pas exactement à la portée des bouteilles thermos du commerce.


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Pourquoi fait-il si froid dans l'espace ?

Eh bien, en fait, il n'y fait pas froid. Les satellites et les navettes spatiales se refroidissent effectivement quand elles sont là-haut, mais ce n'est pas parce qu'il y fait froid.
Tout d'abord, le froid n'existe pas en tant que tel, quoi que puissent vous en dire les pingouins. Le froid est un concept linguistique, et non un concept scientifique. Nos ancêtres qui vivaient dans des grottes ont eu besoin d'un mot qui signifiait "pas chaud", et "froid" (ou le grognement équivalent) est ce qu'ils ont trouvé. C'est comme clair et sombre, sec et mouillé. La lumière et l'eau sont des choses tangibles, mais sombre et sec désignent l'absence de lumière ou d'eau. Ce sont des adjectifs négatifs, si les grammairiens me permettent.

Bien. Après cette gymnastique sémantique, on n'est pas plus avancé. Tout le monde sait ce qu'on entend par "froid". Mais pourquoi ne fait-il pas froid dans l'espace ?

La chaleur, c'est de l'énergie. C'est l'énergie contenue dans le mouvement des atomes et molécules d'un objet. Pourquoi les molécules sont-elles en mouvement ? Parce que, il y a environ 13,5 milliards d'années, une quantité inimaginable d'énergie émergea du néant (ou quoi que ce fût) : le Big Bang se produisit - cette explosion phénoménale que les scientifiques pensent être le début de l'Univers ; tous les atomes furent mis en mouvement, et le sont toujours. Certains d'entre eux, les plus chauds, s'agitent plus que d'autres, que nous qualifions de plus froids.

Il y a quarante ans environ, quand nous avons pour la première fois quitté l'atmosphère douillette de notre planète natale pour nous aventurer vers l'infini, nous avons rencontré pour la première fois un environnement dans lequel il n'y avait aucune chaleur avec laquelle comparer quoi que ce soit, car il n'y a pas (ou si peu) de molécules là-haut à s'agiter, et le mot "froid" eut encore moins de sens. L'espace ne peut être ni chaud ni froid, car il est vide de matière.

Alors pourquoi les satellites et les navettes deviennent-ils si... glacés ? La température de certaines parties de la navette spatiale de la NASA descend jusqu'à -130°C.
Voilà ce qui se passe. Une navette spatiale, ou tout autre objet, peut gagner ou perdre de la chaleur non seulement en étant en contact avec une substance plus chaude ou plus froide - et c'est exclu car il n'y a pas de matière là-haut - mais également par rayonnement. Le Soleil et les étoiles émettent toutes sortes de radiations - des ondes d'énergie pure, visibles (la lumière) comme invisibles (les ultraviolets, les infrarouges et d'autres) pour l'oeil humain. Ces radiations traversent l'espace sans atténuation car il n'y a rien pour les absorber ; mais, lorsqu'elles rencontrent un objet, une navette spatiale par exemple, une partie rebondira et repartira dans une autre direction. une partie sera cependant absorbée, et son énergie sera dissipée sous forme de chaleur. Ainsi, la navette spatiale reçoit de la chaleur rayonnée par le Soleil et les étoiles. Le Soleil, bien sûr, rayonne, et de loin, le plus de chaleur, car il est beaucoup plus proche que les autres étoiles.

Mais, en même temps, la navette, possédant encore sa chaleur terrienne, rayonne une partie de sa propre énergie, car tout ce qui possède de la chaleur émet du rayonnement infrarouge (rayonnement de chaleur). C'est grâce à eux que fonctionnent les lunettes de vision nocturne en permettant de voir les gens dans l'obscurité grâce aux infrarouges qu'ils émettent. Et c'est comme cela que les vieux radiateurs à résistance fonctionnent : ils rayonnent de la chaleur dans la pièce, plutôt que de souffler de l'air dans la maison.

Le navette reçoit donc une grande quantité de chaleur rayonnée sur le côté qu'elle présente au Soleil, pendant qu'elle rayonne rapidement sa chaleur de l'autre côté, qui devient donc extrêmement froid.

Notez que la navette elle-même peut être qualifiée de froide car c'est un objet, mais que l'environnement dans lequel elle se trouve n'est pas froid, ni sémantiquement, ni physiquement.

 

Une limite inférieure pour la température, soit. Mais existe-t-il une limite supérieure ?

La réponse est oui. Partons d'une basse température, et mettons le chauffage.
La chaleur est l'énergie qu'un objet contient en lui-même, énergie due au mouvement de ses atomes et de ses molécules. Mais la température est un concept humain inventé pour que l'on puisse discuter entre nous de la quantité de cette énergie qu'un objet possède, et lui attribuer une valeur. Quand on dit qu'on "augmente la température" d'un objet, on donne de l'énergie de chaleur aux atomes et molécules en accélérant leur mouvement. La limite ultime au refroidissement et au ralentissement est le point où ils ne bougent plus du tout : c'est le zéro absolu. Mais existe-t-il réellement une limite supérieure pour la vitesse des atomes et des molécules ?

Mais, bien avant que l'on atteigne une telle limite de vitesse, plusieurs choses se produisent. Tout d'abord, si la substance est solide, elle se transformera en liquide. Ensuite, à une température plus élevée, le liquide entrera en ébullition et se transformera en gaz ou en vapeur - un état dans lequel les atomes et les molécules volent librement dans toutes les directions. A mesure que la température augmente, les molécules volent de plus en plus vite. Par exemple, les molécules de diazote de l'air dans votre four chauffé à 200°C virevoltent à une vitesse moyenne de 2 300 km/h.

Si la substance est constituée de molécules (des assemblages d'atomes liés entre eux), ces molécules finiront par voler en éclat - elles seront séparées en plus petits fragments, voire même en atomes individuels par les violentes collisions qu'elles subissent. Autrement dit, tous les composés moléculaires se décomposent lorsque la température est suffisamment élevée.

Les atomes individuels seront-ils eux-mêmes réduits en miettes ? Tout à fait. Lorsque la température est suffisamment élevée, les électrons sont arrachés, nous donnant un brasier bouillonnant d'électrons et de fragments atomiques chargés (ions) que l'on appelle un plasma. C'est ce que l'on trouve à l'intérieur des étoiles, à des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés.

Encore plus chaud ? Pourquoi pas... Rien ne semble pouvoir nous empêcher de chauffer ce plasma d'électrons et d'ions et de leur donner une vitesse encore plus grande, à part une chose. Il se trouve qu'il existe une vitesse limite universelle : la vitesse de la lumière dans le vide, qui est égale à 1,08 milliards de kilomètres par heure (ou 300 000 km/s).
Albert Einstein nous a dit que la vitesse des électrons du plasma - ou de n'importe quel objet, en réalité - peut s'approcher de la vitesse de la lumière, mais jamais jusqu'à l'atteindre. Il nous a également dit que, plus une particule va vite, plus elle devient lourde. Par exemple, lorsqu'il a une vitesse égale à 99 % de celle de la lumière, un électrons pèse 7 fois plus que sa masse normale ; à 99,999 % de la vitesse de la lumière, il est 233 fois plus lourd.
Il doit donc y avoir une limite, sinon les particules du plasma atteindraient la vitesse de la lumière et deviendraient infiniment lourdes ! Des considérations théoriques donnent une température limite d'environ 140 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 degrés (Fahrenheit, Celsius ou kelvins), soit pour les scientifiques 1,40.1032 kelvins.

La prochaine fois que quelqu'un vous demandera, pendant un jour brûlant d'été : "Jusqu'où le thermomètre va-t-il monter ?", faites-lui cette réponse. Mais ne nous inquiétons pas, le réchauffement climatique a encore du chemin à parcourir !