Chaleur
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Notions fondamentales
1. Notions fondamentales
Les chapitres qui suivent traitent de thermodynamique. Cette discipline fut baptisée ainsi en
1854 par lord Kelvin, pour qui elle était l’étude de « l’action dynamique de la chaleur ». Elle tire
son origine de l’étude du travail mécanique accompli par les moteurs à vapeur au moyen du ux
thermique. On dit de nos jours que la thermodynamique traite des modications des variables
macroscopiques qui caractérisent un système, tel que la pression, le volume et la température.
Ces modications résultent des échanges de chaleur avec le milieu ambiant et du travail accompli
par le système sur le milieu qui l’entoure. La thermodynamique mène à des conclusions qui sont
indépendantes de la structure ou de la composition microscopique du système. C’est ce qui lui
confère sa force et son caractère général.
Le premier principe de la thermodynamique constitue une généralisation du principe de la
conservation de l’énergie applicable à la chaleur considérée comme une forme d’énergie. Le
deuxième principe de la thermodynamique énonce des propositions générales concernant le
rendement des moteurs thermiques, l’équilibre chimique, le transfert d’information et la direction
dans laquelle évoluent les processus naturels. La théorie cinétique des gaz nous permet de
comprendre pourquoi le comportement macroscopique d’un système résulte du comportement
statistique d’un grand nombre de particules. La température étant une notion fondamentale de tous
les aspects de la thermodynamique, c’est par elle que nous allons commencer ce chapitre.
1.1 La température
La notion de température s’appuie sur notre sensibilité au chaud et au froid. Mais notre perception
du caractère chaud ou froid d’un corps est trompeuse, Par exemple, une poignée de porte en métal
nous semble plus froide que la porte en bois sur laquelle elle est xée, alors qu’elles sont à la
même température. En 1690, John Locke réalisa une expérience simple pour démontrer que l’on ne
pouvait pas se er à notre perception du chaud et du froid. Il suft de tremper une main dans l’eau
chaude et l’autre dans l’eau froide puis de les plonger toutes les deux dans une eau à température
intermédiaire. Cette eau semble froide à la première main et chaude à la seconde. Il est évident qu’il
nous faut un moyen plus able pour dénir la température d’un objet.
Un thermomètre est un instrument qui mesure la température. N’importe quelle propriété d’une
substance ou d’un dispositif qui varie sous l’effet de la chaleur peut servir de thermomètre. Par
exemple, la variation de température peut être dénie comme proportionnelle à la variation de
hauteur d’une colonne de liquide dans un tube capillaire, à la variation de pression d’un gaz
maintenu à volume constant ou à la variation de résistance électrique d’un l.
Comme la température peut être dénie à partir de propriétés diverses, il n’est pas surprenant que
ces propriétés nous donnent des valeurs différentes de la température. Même dans le cas d’une
même propriété, la résistance électrique par exemple, deux matériaux différents ne vont pas réagir
forcément de la même manière lorsqu’on élève leur température. Par conséquent, la valeur de
la température dépend non seulement de la propriété choisie, mais également de la substance
utilisée.
1.2 L’échelle de température
Pour étalonner un thermomètre à colonne de liquide dans un tube en verre, il faut attribuer
des valeurs numériques aux températures de deux points xes. En 1742, A. Celsius conçut une
échelle de température à partir du point de congélation et du point d’ébullition de l’eau. Au point
de congélations l’eau liquide et la glace peuvent coexister en équilibre ; autrement dit, ni l’une
ni l’autre n’ont tendance à changer de phase. Au point d’ébullition, le liquide et le gaz sont en
équilibre. Comme ces deux points dépendent de la pression, on la choisit égale à une atmosphère.