la température ça mesure quoi?

[amineyasmine]

bonjour
Toute la question est dans le titre

pour moi et en référence à mes anciennes modestes connaissances, elle mesure les énergies cinétique
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[ArchoZaure]

Bonjour.

C'est l'inverse.
Il faut dire : C'est quoi qui mesure la température ?

Mais si vous vouliez dire : Quand on mesure une température, c'est quel phénomène physique qui fait qu'on en mesure une et pas autre chose, la question est intéressante.
Le truc par contre qu'il ne faut pas oublier c'est que la température se rapporte à un phénomène statistique.
A partir de combien de particules commence-on à parler de température ?
Je sais pas.

Quelle est la température dans un atome ?

C’est absolument impossible à dire ! Ceci car “pour un atome, il n’existe tout simplement pas de notion de température!” rappelle Hervé Partouche, directeur de recherche au centre de physique théorique, à l’École polytechnique du CNRS de Palaiseau.

La notion de température ne peut en effet pas s’appliquer à un seul atome ou même une seule molécule.

“La température est un concept statistique, destiné aux systèmes composés de trop de particules pour que l’on puisse suivre chacune d’entre elles individuellement”, ajoute le physicien Édouard Brézin, professeur émérite à l’ENS. Ce que mesure un thermomètre standard correspond, en fait, à la moyenne de l’énergie d’un ensemble d’innombrables particules, de l’ordre du trilliard, comprises dans un même système macroscopique. “La tem- pérature d’un système à l’équilibre caractérise les probabilités des diffé- rentes valeurs d’énergie totale de l’ensemble des constituants, poursuit le chercheur. Donc évoquer une température pour une particule unique –atome, molécule, etc.– est sim- plement vain.”
D’après Science & Vie n°1248

https://www.science-et-vie.com/artic...-dans-un-atome

[coussin]

elle mesure les énergies cinétique

Presque. La température c'est la variance des vitesses d'un ensemble de particules. Donc l'écart par rapport à la vitesse moyenne.

[XK150]

Pour moi , c'est bien une image de l'énergie cinétique moyenne des molécules ou des atomes vibrants , en collisions permanentes dans la matière , E = k T .

https://fr.wikipedia.org/wiki/KT_(%C3%A9nergie)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

En toute rigueur il faut ajouter à la formule le nombre de degrés de libertés, mais je pinaille. L'essentiel est dans les messages précédents.

Coussin, oui, on doit évidemment enlever l'énergie cinétique "d'ensemble", la translation macroscopique, mais ce n'est pas pour autant la variance. Ca reste l'énergie moyenne dans le référentiel du centre de masse.

Le plus juste serait de dire que la température est une grandeur macroscopique correspondant aux grandeurs microscopiques (les énergie cinétique ici). On a la même chose (micro -> macro) avec la pression et même avec des grandeurs telles que le courant de déplacement ou la polarisation en EM.

[coussin]

Coussin, oui, on doit évidemment enlever l'énergie cinétique "d'ensemble", la translation macroscopique, mais ce n'est pas pour autant la variance. Ca reste l'énergie moyenne dans le référentiel du centre de masse.

Je ne pense pas... Considère un ensemble de particules enfermées dans une boîte. Le centre de masse de l'ensemble ne bouge pas donc son énergie cinétique est nulle. Pourtant ces particules ont une température non nulle qui correspond à la variance des vitesses autour de la valeur moyenne (qui, elle, est nulle).
Non ?

[Deedee81]

Ahhhhh je crois qu'on ne parle pas de la même chose.

La valeur moyenne vectorielle est bel et bien nulle, en effet. Mais la moyenne c'est celle du carré de la vitesse, c'est l'énergie cinétique. Et ça c'est non nul (pour la boite).
Mais ça c'est pas la variance.... ou dis-je une bêtise ??? (ça me rappelle vaguement quelque chose que j'ai lu autre part, en MQ, et mes stats c'est trèèèèès loin )

[coussin]

Eh bien la variance c'est . Donc, si est nulle ça correspond effectivement à la moyenne de ...
Je pense qu'on dit la même chose, non ?

[MissJenny]

et pour un solide?

[gts2]

Bonjour,

Pour un solide c'est l'énergie microscopique il faut ajouter l'énergie potentielle, d'où la loi de Dulong-Petit C=3R deux fois plus grand que C=3R/2 pour un gaz monoatomique

[coussin]

et pour un solide?

Pareil. La température mesure comment chaque atome "gigote" autour de sa position d'équilibre dans le reseau cristallin.

[Deedee81]

Je pense qu'on dit la même chose, non ?

oui, en effet, je savais bien que j'avais vu ça, mais j'avais fait trois fois le tour de mon bocal.
Merci coussin

[ThM55]

Presque. La température c'est la variance des vitesses d'un ensemble de particules. Donc l'écart par rapport à la vitesse moyenne.

C'est ce que dit la théorie cinétique des gaz. En réalité il y a aussi les degrés de liberté de rotation des molécules. Et il n'y a pas que des gaz, il y a aussi des solides et des liquides.

Je préfère personnellement la définition comme dérivée de l'énergie interne par rapport à l'entropie, c'est la plus générale, mais je crains que cela ne soit pas très éclairant. Mais c'est le lot commun: quand vous apprenez la thermodynamique la première fois, vous n'y comprendrez rien. La deuxième fois non plus. Il faut l'apprendre N fois avant d'y comprendre quelque chose (N dépend de l'individu, pour moi ce fut N >> 1).

[MissJenny]

donc une particule unique a une température nullle, puisque la variance est nulle dans ce cas quelle que soit la vitesse (?)

[XK150]

donc une particule unique a une température nullle, puisque la variance est nulle dans ce cas quelle que soit la vitesse (?)

Parler de la température d' UNE particule n'a pas de sens physique .

https://forums.futura-sciences.com/a...dun-atome.html

[Deedee81]

Pour la particule, oui, je l'avais déjà dit plus haut. La température est une grandeur macroscopique.

Mais c'est le lot commun: quand vous apprenez la thermodynamique la première fois, vous n'y comprendrez rien

C'est pas faux ça. J'ai vite appris à l'utiliser. Mais pour ce qui est de comprendre, tu as raison, m'a fallu du temps.

[ArchoZaure]

Un petit cours assez sympa :
https://fr.wikisource.org/wiki/Les_Atomes/II

Sinon, concernant l'impossibilité de faire appel à la notion de température à l'échelle des atomes, c'est pas tout à fait vrai.
La vieille théorie n'est effectivement pas faite pour, et elle fait appel à un certain type de statistique, mais la thermodynamique peut apparemment être généralisée à des objets moins nombreux.
Je comprends ça comme ça : La statistique n'est plus relative au nombre, mais relative aux probabilités inhérentes des objets quantiques.

La thermodynamique est une théorie physique développée au cours du XIXème siècle dans le but de rationaliser le développement empirique des machines à vapeur, qui avait débuté au siècle précédent. L’objectif était de transformer le plus efficacement possible de la chaleur, énergie incontrôlée produite par la combustion de charbon, en mouvement – pour faire avancer les locomotives par exemple. Jusqu’à aujourd’hui, optimiser la transformation de chaleur en énergie "utile" (appelée également « travail »), comme le déplacement d'un véhicule ou la fabrication d'un courant électrique, reste une des applications majeures de la thermodynamique, dont les concepts se retrouvent par ailleurs au coeur de tous les grands domaines de la physique macroscopique moderne. Néanmoins, la recherche dans ce domaine a pris un nouveau tournant depuis quelques décennies, quand les scientifiques ont voulu décrire les échanges d’énergie impliquant des systèmes microscopiques comme des molécules et des brins d’ADN individuels.

À ces échelles, les fluctuations, conséquences des chocs désordonnés que les molécules ont entre elles (et qui sont la vraie nature de ce que, macroscopiquement, nous appelons la température) sont dominantes, et la généralisation au monde microscopique des concepts thermodynamiques ne va pas de soi.

Encore plus récemment, la « seconde » révolution quantique, liée aux progrès faits dans la manipulation précise d’objets élémentaires (électrons, atomes, photons...), a attiré l’intérêt des physiciens vers l’élaboration d’une thermodynamique qui s’appliquerait aux systèmes quantiques. Ceux-ci possèdent des propriétés uniques, comme par exemple l’émergence de fluctuations quantiques, forme d’incertitude fondamentale qui persiste même en cas de contrôle parfait sur le système, ou encore les superpositions cohérentes, pour lesquelles le système quantique se retrouve “simultanément” dans plusieurs états différents.


Dans un travail récent, des chercheurs du Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) et du Laboratoire de l'informatique du parallélisme (LIP, CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard) se sont intéressés au problème de la formulation d’une thermodynamique à l’échelle quantique, en présence de ces phénomènes sans équivalents dans le monde classique. Ils ont montré qu’il est possible de développer un formalisme permettant de définir sans ambiguïté les notions thermodynamiques de chaleur et travail pour des ensembles de systèmes quantiques en interaction, et ce quels que soient leur taille et leur état. De plus, en identifiant l’énergie non thermique contenue dans un système, la théorie développée permet de quantifier toutes les ressources du monde quantique qui peuvent être utilisées comme du travail. Cela comprend des propriétés analogues aux systèmes classiques, comme le fait de comprimer un ressort, mais aussi des propriétés purement quantiques comme les superpositions cohérentes d’états d’énergies différentes. Une des conséquences étonnantes de ces résultats est que tout système quantique peut se comporter comme une source simultanée de travail et de chaleur.

https://www.inp.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/...-100-quantique

[Deedee81]

Un espèce de thermodynamique quantique ?
(EDIT après avoir les liens, enlever le "espèce de" )

Why not, puisqu'on a bien l'entropie de von Neuman pour l'intrication.
Faudrait regarder de plus près

[amineyasmine]

Presque. La température c'est la variance des vitesses d'un ensemble de particules. Donc l'écart par rapport à la vitesse moyenne.

bonjour
Oui presque, ça mesure le degré d'agitation des particules d'un objet

au zéro absolu, aucune agitation, immobilité totale ce qui n'est possible qu’asymptotiquement

[Deedee81]

Salut,

Oui presque, ça mesure le degré d'agitation des particules d'un objet

Ca c'est qualitatif. Les définitions quantitatives ont été données plus haut.

[albanxiii]

au zéro absolu, aucune agitation, immobilité totale ce qui n'est possible qu’asymptotiquement

Non, l'immobilité est un concept qui n'existe pas dans le monde quantique (citation de Jean-Michel Courty).

[Deedee81]

Salut,

Non, l'immobilité est un concept qui n'existe pas dans le monde quantique (citation de Jean-Michel Courty).

J'ai eu peur de pinailler en le signalant

Quelques précisions :

En effet, il y a toujours une "agitation" résiduelle. Cela résulte d'ailleurs directement du principe d'indétermination de Heisenberg. Les objets constituants la substance : molécules, atomes, particules,... sont forcément localisés au moins avec une certaine précision (là où se trouve la substance) et donc il y a une certaine indétermination dans la quantité de mouvement de ces mêmes objets. Ils ne peuvent pas être au repos.

Une manière un peu plus précise de le voir est l'oscillateur harmonique. C'est un bon modèle des vibrations moléculaires. Pour l'oscillateur quantique, l'énergie est quantifiée : (n + 1/2).hbar.w où w est la fréquence (la pulsation) propre habituelle (même valeur qu'en mécanique classique) et n un nombre entier positif ou nul. Le 1/2 est la clef (à noter d'ailleurs pour la petite histoire que la vieille théorie de Bohr ne prédisait pas ce 1/2 ce qui posait des problèmes qu'ils ne comprenaient pas). Même dans l'état de base on a une oscillation / énergie résiduelle hbar.w/2 souvent appelée "énergie de point zéro".

Bref, plutôt que de parler d'immobilité au 0K, il est plus correct de parler "d'état de base", l'énergie de la substance se comptant à partir de cette base (dans la pratique on n'observe de toute façon que les variations d'énergie).

Donc, le 0K se caractérise par :
- le système est dans l'état de base (quantique). Pour des bosons : tous dans le même état de base qu'un seul boson (condensat par exemple), pour des fermions ils remplissent les états jusqu'à l'énergie de Fermi (notons que cela peut même correspondre à des particules extrêmement rapides, c'est ce qu'on a pour la matière dégénérée des naines blanches par exemple)
- son entropie est minimale (en fait 0 d'après le troisième principe de la thermodynamique)

[albanxiii]

Salut Deedee81,

Cela résulte d'ailleurs directement du principe d'indétermination de Heisenberg.

C'est à peu près le seul point où je ne suis pas d'accord avec toi.
Pour moi il n'y a pas de principe d'indétermination de Heisenberg. Il y a les relations d'indétermination. Et elles découlent des principes de la mécanique quantique.
Il n' y a besoin de les poser comme postulat pour retrouver leurs conséquences.

État de base, d'accord. L'énergie n'est pas nulle, mais on ne peut pas en retirer au système, puisque c'est son état d'énergie minimale.

[Deedee81]

Il n' y a besoin de les poser comme postulat pour retrouver leurs conséquences.

Je suis bien entendu d'accord. C'est juste que c'est souvent plus facile de faire comprendre ainsi à des "non initiés". Mais j'ai peut-être tort. Peut-être vaut-il mieux les pousser à faire un effort.

[Sethy]

On peut aussi (je pense) répondre à la question en mettant l'accent sur les populations.

Imaginons une population d'atomes, ou ici de molécules (pour reprendre le cas illustré par Deedee dans le post #22), à l'équilibre thermique. Pour une température supérieure au 0 absolu, les différents niveaux d'énergie sont peuplés par exemple comme sur le diagramme de gauche (Equilibre thermique).

Ce qu'il faut remarquer, c'est que la population de chaque échelon est strictement inférieure à celle de l'échelon inférieur. "Thermiquement" (c'est à dire en chauffant), il est impossible d'obtenir le cas du milieu (inversion de population) dand lequel on voit qu'il y a plus de molécules qui ont une énergie de 9/2 hbar.w que de molécules qui ont l'énergie des niveau 5/2 et 7/2 (ths en hbar.w). Cela ne peut être obtenu que par d'autres méthodes telles que celles utilisée dans les laser He-Ne.

A température "pas trop basse", il existe une formule simple qui relie le niveau d'énergie, la Température et la probabilité (P). Cela permet notamment de facilement calculer le rapport de population entre deux états. La formule est où k est la constante de Boltzman.

La particularité du zéro absolu est d'une part de ne pas être au niveau 0 d'énergie comme Deedee l'a bien expliqué, mais aussi que l'ensemble de la population est au niveau le plus bas comme illustré sur la partie droite du graphique.

Cela peut se voir si on remarque que lorsque T -> 0, k.T -> 0, E / k.T -> infinie, exp(-E/kT) -> 0 et ce d'autant plus vite que E est grand. Il ne subsiste donc qu'un seul état, celui ou E est minimal ... C.Q.F.D.

[Sethy]

Ici, les mêmes données mais vues d'une autre manière.

En bleu, on a la courbe P = exp(-E/k.T) et en orange les "probabilités" (non normées !) de chaque état (1/2, 3/2, ...).

[amineyasmine]

bonjour
la température d'un trou noir est très faible, proche du zéro absolu.

ca ne bouge pas trop dans un trou noir, c'est comme une seul particule

[coussin]

Il est évident qu'un trou noir est un objet un peu spécial
Les définitions "habituelles" de la température ne s'appliquent pas... Le concept de température pour un trou noir est purement thermodynamique du genre car bien évidemment y a pas grand chose qui bouge dans un trou noir, difficile alors de relier ça à une distribution de vitesses

[agitateur]

Non, l'immobilité est un concept qui n'existe pas dans le monde quantique (citation de Jean-Michel Courty).

Merci, un instant j'ai imaginé que mon "nom" était inutile au zéro absolu, me voilà rassuré. Mon utilité persiste donc en toute circonstances ( en dehors de ce message évidemment )