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Physique des systèmes complexes
donne lieu à la sensation de « chaud » et de « froid ». Cependant, ces notions sont
trop subjectives et, pour définir le sens d'écoulement de l'énergie calorifique, il
est nécessaire de repérer plus quantitativement l'état «d'excitation thermique »
d'un système en prenant garde de ne pas confondre cet «état d'excitation» avec
la quantité d'énergie calorifique qu'un système contient. Pour le montrer, il est
clair qu'un système contenant un très grand nombre de particules possédant chacune une énergie cinétique moyenne« faible» peut contenir plus d'énergie calorifique qu'un petit système où les particules possèdent chacune une énergie cinétique moyenne élevée. Pourtant l'échange de quantité de mouvement entre les particules des deux systèmes ne peut aller, globalement, que du système dont chaque
particule possède en moyenne une énergie cinétique plus importante vers le système où les particules sont caractérisées par une plus faible énergie cinétique
moyenne. Pour quantifier les sensations de chaud/froid, nous introduisons la notion de « température ».
De nombreux systèmes possèdent des caractéristiques qui varient selon l'état
d'excitation thermique d'un milieu matériel. Par exemple une tige métallique possède une longueur qui, la plupart du temps, augmente (dilatation) avec l'état
d'excitation thermique du milieu dans lequel elle est plongée. De même, la résistance électrique des métaux augmente également avec le degré d'agitation thermique, etc. On peut utiliser de tels systèmes appelés « thermomètres » en mesurant
leurs grandeurs extensives pour repérer l'état d'excitation thermique d'un milieu,
autrement dit, pour en repérer sa « température ».
Ici, la nature nous fait un cadeau fabuleux car l'expérience montre indubitablement que, lorsqu'un milieu matériel change d'état (transformation solide/liquide,
transformation liquide/gaz), sa «température» reste fixe tant que les différents
états coexistent! Cette constatation expérimentale permet ainsi d'établir des
points de repère et de leur attribuer conventionnellement une température. Dans la
«convention» des degrés Celsius, on choisit, par exemple, d'attribuer la température 0° C lors de la transformation (fusion) solide/liquide de l'eau pure (à la pression standard de une atmosphère, soit encore 760 mm de Hg) et d'attribuer une
température de l 00°C lors de la transformation (évaporation) liquide/vapeur de
l'eau pure.
Autres conventions
Glace fondante
Eau bouillante
Echelle Celsius
oo
100°
Echelle Réaumur
oo
80°
Echelle Fahrenheit
32°
212°
Tableau 1.
Cependant, entre ces deux points fixes, il n'y a pas d'autre solution que
d'étalonner de façon linéaire le thermomètre (le système témoin dont la grandeur
extensive a été choisie pour repérer l'état d'excitation thermique). De cette façon,
tous les « thermomètres » indiquent la bonne température associée aux points
Physique des systèmes complexes
donne lieu à la sensation de « chaud » et de « froid ». Cependant, ces notions sont
trop subjectives et, pour définir le sens d'écoulement de l'énergie calorifique, il
est nécessaire de repérer plus quantitativement l'état «d'excitation thermique »
d'un système en prenant garde de ne pas confondre cet «état d'excitation» avec
la quantité d'énergie calorifique qu'un système contient. Pour le montrer, il est
clair qu'un système contenant un très grand nombre de particules possédant chacune une énergie cinétique moyenne« faible» peut contenir plus d'énergie calorifique qu'un petit système où les particules possèdent chacune une énergie cinétique moyenne élevée. Pourtant l'échange de quantité de mouvement entre les particules des deux systèmes ne peut aller, globalement, que du système dont chaque
particule possède en moyenne une énergie cinétique plus importante vers le système où les particules sont caractérisées par une plus faible énergie cinétique
moyenne. Pour quantifier les sensations de chaud/froid, nous introduisons la notion de « température ».
De nombreux systèmes possèdent des caractéristiques qui varient selon l'état
d'excitation thermique d'un milieu matériel. Par exemple une tige métallique possède une longueur qui, la plupart du temps, augmente (dilatation) avec l'état
d'excitation thermique du milieu dans lequel elle est plongée. De même, la résistance électrique des métaux augmente également avec le degré d'agitation thermique, etc. On peut utiliser de tels systèmes appelés « thermomètres » en mesurant
leurs grandeurs extensives pour repérer l'état d'excitation thermique d'un milieu,
autrement dit, pour en repérer sa « température ».
Ici, la nature nous fait un cadeau fabuleux car l'expérience montre indubitablement que, lorsqu'un milieu matériel change d'état (transformation solide/liquide,
transformation liquide/gaz), sa «température» reste fixe tant que les différents
états coexistent! Cette constatation expérimentale permet ainsi d'établir des
points de repère et de leur attribuer conventionnellement une température. Dans la
«convention» des degrés Celsius, on choisit, par exemple, d'attribuer la température 0° C lors de la transformation (fusion) solide/liquide de l'eau pure (à la pression standard de une atmosphère, soit encore 760 mm de Hg) et d'attribuer une
température de l 00°C lors de la transformation (évaporation) liquide/vapeur de
l'eau pure.
Autres conventions
Glace fondante
Eau bouillante
Echelle Celsius
oo
100°
Echelle Réaumur
oo
80°
Echelle Fahrenheit
32°
212°
Tableau 1.
Cependant, entre ces deux points fixes, il n'y a pas d'autre solution que
d'étalonner de façon linéaire le thermomètre (le système témoin dont la grandeur
extensive a été choisie pour repérer l'état d'excitation thermique). De cette façon,
tous les « thermomètres » indiquent la bonne température associée aux points