Température

[Médiat]

Bonjour,

Après avoir précisé à ceux qui l'ignoreraient : je suis une tanche en physique, je vais donc, sans doute, poser des questions naïves, voire idiotes ...

Je comprends facilement que l'on puisse prendre un morceau de ficelle, décider que l'une de ses extrémités représente la mesure de 0 Bitchmull et l'autre extrémité 100 Bitchmulls et qu'en repliant la ficelle un certain nombre de fois, je peux placer facilement des marques correspondant à toutes les valeurs entre 0 et 100 Bitchmulls. Et je peux aussi concevoir que l'on puisse parler de 4568742 Bitchmulls même si ma ficelle n'y suffit pas.

Je comprends toujours que l'on puisse décider que 0 °C corresponde à la température de solidification de l'eau et 100 °C à sa température d'ébullition, mais je ne vois absolument pas comment on peut définir les valeurs intermédiaires et encore moins les autres (en tout état de cause avec les moyens du 18ième siècle, mais si des choses ont changées depuis, je serais intéressé dans un deuxième temps)
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[LPFR]

Bonjour Mediat.
Vous avez parfaitement raison de vous poser la question.
La température ne peut se mesurer qu’à partir des propriétés de la matière qui varient avec la température d’une manière que l’on accepte comme connue.

La moins pourrie est celle des gaz « parfaits ». On mesure la pression pour un volume constant et on déduit la température PV = nRT.
D’ailleurs, c’est comme cela qu’on avait « découvert » le zéro absolu, bien avant la cryogénie. On peut utiliser des gaz réels à la place des gaz parfaits, si on se limite à des plages de température et de densité « décentes ».
Au revoir.

[Médiat]

Merci de cette réponse, mèzalor, il paraît plus logique de ne pas dire que PV = nRT est une propriété des gaz parfaits, mais plutôt que c'est une définition de la température.

Et comment fait-on dans des échelles de température où il n'y a plus de gaz ?

[coussin]

C'est une question difficile...
D'abord parce que le concept de température est un concept statistique : c'est une notion émergente quand on regarde un grand nombre d'objets identiques. La température d'un atome unique n'a pas de sens.
Si on accepte ça, il y a une définition très précise de la température mais en termes statistiques : c'est la dérivée de la densité d'états d'un système par rapport à l'énergie de ce système. C'est dans la "densité d'états" que se cache la statistique (la densité d'états étant le nombre d'états microscopiques réalisant un seul et même état macroscopique).
Quand on a fait ça, on peut définir un zéro de température et construire une échelle en se calant sur des propriétés particulières de certaines substances (évaporation de l'eau, quand ça gèle, le point triple, etc...)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Médiat]

Merci coussin, mais,

1) J'avais bien situé la question au 18 ième siècle,
2) Je ne vois pas ce que l'aspect statistique apporte à mes questions (à part les rendre encore plus complexes )

[iharmed]

Bonjour

J’ai toujours su que la température est équivalent la vitesse cinétique

Le zéro absolu correspond à non mouvement absolu

Mais je ne sais toujours pas la vitesse cinétique de quoi ?

[coussin]

Merci coussin, mais,
1) J'avais bien situé la question au 18 ième siècle,
2) Je ne vois pas ce que l'aspect statistique apporte à mes questions (à part les rendre encore plus complexes )

J'ai mentionné l'aspect statistique pour insister sur le fait que la température est une quantité un peu particulière, bien plus "complexe" à définir qu'une longueur. C'est donc plus coton de construire une échelle.
De manière plus pragmatique, j'imagine que les gens du 18 ième siècle ont eu l'idée, un jour, de mettre un liquide dans une colonne de verre. Et puis ils ont remarqué un truc marrant quand ils mettaient cette colonne de verre près d'une flamme. On peut imaginer faire des graduations sur cette colonne de verre... Faire des tables : tant de temps sur la flamme = tant de "graduations" gagnées sur la colonne de verre... Et finalement coupler ces observations avec le fait que l'eau gèle, bout, etc...
On a alors quantifié "quelque chose" en termes de "graduations sur une colonne de verre". Mais faire le lien entre ces "graduations" et le concept de température, c'est une autre histoire. Surtout que changer le liquide dans la colonne de verre change toutes les observations qu'on vient de faire. C'est un peu le bordel
Je ne connais pas assez cette partie de l'histoire des sciences.

[LPFR]

Merci de cette réponse, mèzalor, il paraît plus logique de ne pas dire que PV = nRT est une propriété des gaz parfaits, mais plutôt que c'est une définition de la température.

Et comment fait-on dans des échelles de température où il n'y a plus de gaz ?

Bonjour.
Pour ce qui est de la définition, vous pouvez lire celle de Wikipedia. Il est difficile d’imaginer une définition plus vaseuse et inutile.
Car la définition d’une grandeur physique doit comporter (dans la définition même) la façon de la mesurer.
Alors, effectivement, il aurait été plus logique d’utiliser la loi de gaz parfaits.
Sauf que si elle est acceptable en tant que définition, elle n’est pas pratique, car il faudrait connaître le nombre de moles ou de molécules dans le volume. De plus elle n’est valable que pour des pressions faibles et pour des températures bien au delà de celle d’évaporation du gaz liquide.
Pour les températures en dehors de la gamme, (très basses ou très hautes), il faut utiliser d’autres propriétés de la matière ou les lois de rayonnement. En particulier, les températures proches du 0 K sont particulièrement merdiques à mesurer.
Une définition comme celle du point triple et de l’ébullition de l’eau est facile à mettre en œuvre. Sauf pour toutes les autres températures, autres que ces deux là (et pas seulement les intermédiaires).

Car, effectivement, la température apparaît dans un tas de phénomènes physiques statistiques. Mais on ne peut pas mesurer l’occupation des états ni la distribution d’énergies cinétiques directement.
Au revoir.

[Médiat]

Bonjour,

Merci à tous les deux ; est-ce que j'exagère en disant que finalement personne ne sait ce qu'est "1 °C" (*)?

A part quelques définitions ad'hoc dépendant du domaine et qui utilise des caractéristiques physiques dont la validité n'est, du coup, plus du domaine de la propriété physique, mais de la définition de la température (par exemple, la dilatation linéaire n'est pas proportionnelle à la température, c'est la température qui est proportionnelle à la dilatation linéaire).

(*) Est-ce que cela a du sens que de dire que le degré qui sépare -100° C et -101 °C est le "même" (**) que celui qui sépare 123 456 125 °C et 123 456 126 °C

(**) C'est peut-être dans ce "même" que réside la difficulté ?

[Médiat]

Pour essayer d'être plus clair sur mes questions, je dois admettre que j'ai les mêmes questions sur le temps (sa mesure au quotidien, pas sa nature profonde), la mesure du temps repos(ait)e sur des phénomènes périodiques, dont on ne pouvait savoir qu'ils étaient périodique qu'à la condition d'avoir une mesure du temps ...

J'y vois, néanmoins, une différence : sans faire la moindre mesure, et donc avec toutes les marges d'erreur que vous pouvez imaginer, je ressens qu'un pendule pesant met le "même temps" (s'il n'est pas trop rapide) pour aller de A en B que pour aller de B en A ; alors que pour la température, en passant de -10°C à 10°C, je passe de l'inconfort au confort, et au contraire en passant de 20°C à 40°C je passe du confort à l'inconfort. Bref je "sens" l'identité entre plusieurs secondes, et je ne "sens pas" l'identité entre plusieurs °C.

Je comprends bien que les définitions utilisées par les physiciens sont adéquates à leurs réflexions et études, je ne veux rien remettre en cause, juste comprendre.

[LPFR]

Bonjour,

Merci à tous les deux ; est-ce que j'exagère en disant que finalement personne ne sait ce qu'est "1 °C" (*)?

A part quelques définitions ad'hoc dépendant du domaine et qui utilise des caractéristiques physiques dont la validité n'est, du coup, plus du domaine de la propriété physique, mais de la définition de la température (par exemple, la dilatation linéaire n'est pas proportionnelle à la température, c'est la température qui est proportionnelle à la dilatation linéaire).

(*) Est-ce que cela a du sens que de dire que le degré qui sépare -100° C et -101 °C est le "même" (**) que celui qui sépare 123 456 125 °C et 123 456 126 °C

(**) C'est peut-être dans ce "même" que réside la difficulté ?

Re.
Effectivement, vous avez presque raison.
Mais on peut recouper des mesures par plusieurs méthodes ce qui permet de vérifier les valeurs intermédiaires... dans une certaine mesure.
A+

[stefjm]

Pour essayer d'être plus clair sur mes questions, je dois admettre que j'ai les mêmes questions sur le temps (sa mesure au quotidien, pas sa nature profonde), la mesure du temps repos(ait)e sur des phénomènes périodiques, dont on ne pouvait savoir qu'ils étaient périodique qu'à la condition d'avoir une mesure du temps ...

Bonjour,
Pour le temps, il y a deux pistes assez mathématiques.
1) L'exponentielle d'argument imaginaire pur qui correspond à un système oscillant de pôles complexes conjugués , solution de l'équation différentielle , dont on peut trouver plein de représentations physiques (oscillateur mécanique, électrique, propagation des ondes, etc...).

2) L'exponentielle d'argument réel qui correspond à un système amorti de pôle réel , solution de l'équation différentielle , dont on peut trouver plein de représentations physiques aussi (décroissance radioactive, propagation de la chaleur, etc...).

Les définitions de la physique en générale ont une forte tendance à la circularité.
Cordialement.

[Médiat]

Bonjour stefjm

Les définitions de la physique en générale ont une forte tendance à la circularité.

Ce n'est pas ce qui me gêne le plus, la circularité est présente dans la définition de la mesure du temps de façon évidente, est aussi présente, mais bien plus cachée, dans la mesure de longueur (la relativité la met en évidence).

Ce qui me "gêne", c'est que je n'arrive absolument pas à avoir "l'intuition" de ce qu'est 1°C (c'est sans doute pour cela que je fais des mathématiques ).

[LPFR]

...
Ce qui me "gêne", c'est que je n'arrive absolument pas à avoir "l'intuition" de ce qu'est 1°C (c'est sans doute pour cela que je fais des mathématiques ).

Re.
Nous sommes des mauvais appareils de mesure.
En dehors du temps, pour lequel certains sont doués (ils arrivent à conserver le rythme) tous nos autres sens sont non linéaires et pas fiables ni reproductibles.
En particulier, la température :
Mettez la main gauche dans de l’eau froide, la droite dans de l’eau chaude pendant quelque temps.
Puis plongez les deux mains dans le même bain d’eau tiède. Une main sentira l’eau comme froide et l’autre comme chaude.
A+

[coussin]

Oui, pourquoi vouloir ajouter un sentiment de "ressenti" ?

[stefjm]

Ce qui me "gêne", c'est que je n'arrive absolument pas à avoir "l'intuition" de ce qu'est 1°C (c'est sans doute pour cela que je fais des mathématiques ).

Pour l'intuition, il y a l'analyse dimensionnelle.
Comme déjà signalé, on met en relation 1 degré avec 1 mètre sur le thermomètre: Température proportionnelle à la Longueur.
La proportionnalité entre énergie (P.V) et température via la constante de Boltzmann (ou la constante des gaz parfaits) pour l'entropie.

Il y a aussi la loi de Stefan-Boltzmann : Énergie/Surface proportionnelle à température exposant 4.

Plus formellement, la notion de degré de liberté : https://fr.wikipedia.org/wiki/Degr%C...e_statistiques
ou d'équipartition de l'énergie : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...27%C3%A9nergie

[stefjm]

Re.
Nous sommes des mauvais appareils de mesure.
En dehors du temps, pour lequel certains sont doués (ils arrivent à conserver le rythme) tous nos autres sens sont non linéaires et pas fiables ni reproductibles.
En particulier, la température :
Mettez la main gauche dans de l’eau froide, la droite dans de l’eau chaude pendant quelque temps.
Puis plongez les deux mains dans le même bain d’eau tiède. Une main sentira l’eau comme froide et l’autre comme chaude.
A+

Oui, pourquoi vouloir ajouter un sentiment de "ressenti" ?

Pour moi, intuition (ce dont parle Médiat) et ressenti (LPFR) sont deux aspects différents.

[coussin]

Restons avec l'eau : 1ºC, c'est des écarts de température typiques quand de la glace commence à fondre...
C'est aussi, typiquement, quand vous faites chauffer l'eau des pâtes la différence entre quelques "fumerolles de bulles" et les "grosses bulles" un peu après.
Ça donne une intuition je trouve...
De la même manière que nous avons une intuition de ce qu'est une seconde (un battement de cœur) ou un mètre (c'est l'écart quand je mets mes bras devant moi).

[Médiat]

Entre 0 et 1° j'ai une intuition, entre 20 et 21 aussi, mais je n'ai pas l'intuition que "c'est la même chose" (et entre 123 456 125 °C et 123 456 126 °C : aucune idée, alors qu'entre 123 456 125 m et 123 456 126 m, je peux voir cette différence et même en avoir une idée assez précise avec mes bras).

[invite06459106]

Entre 0 et 1° j'ai une intuition, entre 20 et 21 aussi, mais je n'ai pas l'intuition que "c'est la même chose"

Je ne vois pas ce qui "bloque", car pour l'un et l'autre c'est la même représentation ( Une différence (la même variation) d'un système représentée par l'écart de 1 unité sur une échelle pré-établie empiriquement par les expériences et formalisée).
C'est moins "droit" qu'en maths, car statistique, mais opérationnel pour les prédictions, et en physique c'est ce qui compte.
Si la question est sur l'intuition" (pas trop compris...) peut-être n'est-ce pas la bonne section du forum.

[antek]

Au lycée on mesurait l'effet Joule avec un calorimètre.
On peu utiliser la manip pour appréhender une variation de T° par rapport à un apport d'énergie.

[invite07941352]

Bonjour,
Je trouve ce lien pas mal , explicitant simplement le problème et ses solutions ...

http://www.sciences.univ-nantes.fr/s...emperature.htm

[Médiat]

Je ne vois pas ce qui "bloque", car pour l'un et l'autre c'est la même représentation ( Une différence (la même variation) d'un système représentée par l'écart de 1 unité sur une échelle pré-établie empiriquement par les expériences et formalisée).

C'est justement là que le bât blesse : entre 2 m et 3 m la différence est la même, je peux la visualiser avec mes bras, et -110 °C et -111 °C , je sais bien que la différence est la "même", qu'entre 132 654 654 °C et 132 654 655 °C, mais je ne le vois pas et je ne vois pas comment on peut l'affirmer (ce qui sous-entend que le "système sur une échelle pré-établie" est valide), je "sais" intuitivement ce qu'est 1m ou 1s, je ne le sais pas pour des températures (il y aurait sans doute d'autres exemples) ; encore une fois j'ai l'impression qu'il y a une inversion de causalité.

mais opérationnel pour les prédictions, et en physique c'est ce qui compte.

Ca je suis bien d'accord, je l'ai écrit dans mon message #10.

[Médiat]

Bonjour,

http://www.sciences.univ-nantes.fr/s...emperature.htm

Merci pour ce lien, je n'ai pas le temps aujourd'hui, mais je le lirai avec plaisir.

[obi76]

Bonjour,

du point de vue statistique, la température est directement proportionnelle à l'écart type (=moment d'ordre 2) de la distribution en vitesse des particules que l'on regarde (à l'équilibre).
Le moment d'ordre 0 de la pdf de la vitesse (== masse totale des particules)
Le moment d'ordre 1, c'est la quantité de mouvement moyenne (== la vitesse de convection)
Le moment d'ordre 2 c'est l'écart type de la distribution (== énergie cinétique d'agitation = température, à la constante de Boltzman près)
Le moment d'ordre 3 c'est la pression, etc.

1°C (ou 1K), c'est donc une augmentation d'énergie cinétique "d'agitation" (== (vitesse - vitesse moyenne)²), qui est la meme que l'on soit à 20°C ou à 100 000 000 °C (et-ce, d'après la définition, meme si on n'est plus à l'équilibre thermodynamique).

[Médiat]

Merci obi76 ,

C'est exactement ce que j'attendais pour la situation aujourd'hui, même si ce n'est pas très intuitif , et j'imagine que ce n'était pas l'explication de ce bon vieux Anders.

Merci à tous, pour moi le sujet est clos

[obi76]

Re-,

je l'ai très rarement vu présenté comme ça, mais je trouve que tout ça coule de source lorsque l'on part de la physique statistique pour l'appréhender

EDIT : et pour rebondir sur ce qu'a dit LPFR (que je salue), c'est pour ça que lorsque l'on s'approche du 0K, ça devient (extrêmement) difficile à mesurer, puisque la distribution s'approche d'un dirac, et que la température est l'écart type de la distribution...

[stefjm]

du point de vue statistique, la température est directement proportionnelle à l'écart type (=moment d'ordre 2) de la distribution en vitesse des particules que l'on regarde (à l'équilibre).
Le moment d'ordre 0 de la pdf de la vitesse (== masse totale des particules)
Le moment d'ordre 1, c'est la quantité de mouvement moyenne (== la vitesse de convection)
Le moment d'ordre 2 c'est l'écart type de la distribution (== énergie cinétique d'agitation = température, à la constante de Boltzman près)
Le moment d'ordre 3 c'est la pression, etc.

Pourrais-tu détailler un peu? Cela se généralise à d'autres grandeurs?

[obi76]

Re,

les seuls grandeurs thermodynamiques nécessaires pour déterminer les propriétés d'un fluide [à l'équilibre thermodynamique] sont sa masse volumique, sa vitesse de convection et sa température. On peut avoir des lois (type gaz parfait ou autre) qui relient d'autres grandeurs entre elles (pression = f(temperature, rho) par exemple), mais pas besoin d'en avoir plus : une Maxwelienne est définie à partir de 3 grandeurs.

C'est assez intuitif finalement : l'aire sous la PDF, c'est la masse totale, le moment d'ordre 1 c'est le centrage de la fonction (donc la vitesse moyenne du gaz), l'écart type ben l'énergie cinétique de l'agitation thermique (en (v-vconvection)²).

La pression c'est la force [surfacique] qu'il faudrait avoir pour que les particules rebondissent sur une surface fictive : leur flux dépend de la température et de leur densité, la force qu'il faut pour leur faire faire demi-tour dépend de leur quantité de mouvement, etc. Le produit des deux donne le moment d'ordre 3 (dépendant de T, rho mais aussi de leur masse molaire, en bref : on retrouve les GP).