Nous savons maintenant qu’une augmentation de la température correspond à une augmentation de l’énergie cinétique moyenne des atomes et des molécules. Un résultat de ce mouvement accru est que la distance moyenne entre les atomes et les molécules augmente à mesure que la température augmente. Ce phénomène, connu sous le nom de dilatation thermique, est à la base de la mesure de la température par thermomètre liquide.
Les thermomètres à liquide courants utilisent la dilatation thermique de l’alcool confiné dans un tube en verre ou en plastique pour mesurer la température. En raison de la dilatation thermique, le volume d’alcool change avec la température. Le thermomètre doit être étalonné en marquant les différents niveaux de fluide lorsque le thermomètre est placé dans un environnement à température connue, comme l’eau bouillante au niveau de la mer.
Exercice de renforcement
Bandes bimétalliques
Différents matériaux se dilatent (ou se contractent) thermiquement de différentes quantités lorsqu’ils sont chauffés (ou refroidis). Les bandes bimétalliques s’appuient sur ce phénomène pour mesurer la température. Lorsque deux matériaux différents sont collés ensemble, la structure résultante se plie à mesure que la température change en raison de la dilatation thermique différente subie par chaque matériau.
Dilatation thermique linéaire
Pour la plupart des matériaux courants, le changement de longueur (
) causé par un changement de température (
) est proportionnel à la longueur d’origine (
L_0) et peut être modélisé en utilisant le coefficient de dilatation thermique linéaire (
) et l’équation suivante:
Le tableau suivant fournit les coefficients de dilatation thermique linéaire pour différents matériaux solides. Plus expansif (ha!) les tableaux peuvent être trouvés en ligne.
| Material | Coefficient of Linear Expansion (1/°C) |
|---|---|
| Solids | |
| Aluminum | 25 × 10−6 |
| Brass | 19 × 10−6 |
| Copper | 17 × 10−6 |
| Gold | 14 × 10−6 |
| Iron or steel | 12 × 10−6 |
| Invar (nickel-iron alloy) | 0.9 × 10−6 |
| Lead | 29 × 10−6 |
| Silver | 18 × 10−6 |
| Glass (ordinary) | 9 × 10−6 |
| Glass (Pyrex®) | 3 × 10−6 |
| Quartz | 0.4 × 10-6 |
| Béton, brique | ~ 12 × 10-6 |
| Marbre (moyen) | 2,5 × 10-6 |
Exemple quotidien
La travée principale du Golden Gate Bridge de San Francisco mesure 1275 m de long au plus froid. Le pont est exposé à des températures allant de -15 °C à 40 °C. Quel est son changement de longueur entre ces températures ? Supposons que le pont soit entièrement en acier.
Nous pouvons utiliser l’équation pour la dilatation thermique linéaire:
Remplacez toutes les valeurs connues dans l’équation, y compris le coefficient de dilatation thermique linéaire pour l’acier et les températures initiale et finale:
Bien que peu important par rapport à la longueur du pont, le changement de longueur de près d’un mètre est observable et important. La dilatation thermique pourrait provoquer la boucle des ponts si ce n’est pour l’incorporation d’espaces, appelés joints de dilatation, dans la conception.
Exercices de renforcement
Unités de température
Les thermomètres mesurent la température selon des échelles de mesure bien définies. Les trois échelles de température les plus courantes sont Fahrenheit, Celsius et Kelvin. Sur l’échelle Celsius, le point de congélation de l’eau est de 0 ° C et le point d’ébullition est de 100 ° C. L’unité de température sur cette échelle est le degré Celsius (° C). L’échelle Fahrenheit (° F) a le point de congélation de l’eau à 32 ° F et le point d’ébullition à 212 ° F. Vous pouvez voir que 100 degrés Celsius couvrent la même plage que 180 degrés Fahrenheit. Ainsi, une différence de température d’un degré sur l’échelle Celsius est 1,8 fois plus grande qu’une différence d’un degré sur l’échelle Fahrenheit, comme l’illustrent les deux échelles supérieures du diagramme suivant.
L’échelle Kelvin
La définition de la température en termes de mouvement moléculaire suggère qu’il devrait y avoir une température la plus basse possible, où l’énergie cinétique microscopique moyenne des molécules est nulle (ou le minimum autorisé par la nature quantique des particules). Des expériences confirment l’existence d’une telle température, appelée zéro absolu. Une échelle de température absolue est une échelle dont le point zéro correspond au zéro absolu. De telles échelles sont pratiques en science car plusieurs grandeurs physiques, telles que la pression dans un gaz, sont directement liées à la température absolue. De plus, les échelles absolues nous permettent d’utiliser des rapports de température, ce que les échelles relatives ne font pas. Par exemple, 200 K est deux fois la température de 100 K, mais 200 ° C n’est pas deux fois la température de 100 ° C.
L’échelle de Kelvin est l’échelle de température absolue couramment utilisée en science. L’unité de température SI est le Kelvin, qui est abrégé en K (mais non accompagné d’un signe de degré). Ainsi, 0 K est le zéro absolu, ce qui correspond à -273,15 ° C. La taille des unités Celsius et Kelvin est définie pour être la même afin que les différences de température (
) aient la même valeur en Kelvins et en degrés Celsius. En conséquence, les points de congélation et d’ébullition de l’eau dans l’échelle Kelvin sont respectivement de 273,15 K et 373,15 K, comme illustré dans le diagramme précédent.
Vous pouvez convertir entre les différentes échelles de température à l’aide d’équations ou de divers programmes de conversation, dont certains accessibles en ligne.
Exercice de renforcement
Mesure de la température
En plus de la dilatation thermique, d’autres propriétés physiques dépendantes de la température peuvent être utilisées pour mesurer la température. Ces propriétés comprennent la résistance électrique et les propriétés optiques telles que la réflexion, l’émission et l’absorption de différentes couleurs. La mesure de la température basée sur la lumière reviendra dans le chapitre suivant.
- Thermomètre clinique par Menchi via Wikimedia Commons Open
- Physique universitaire OpenStax, Physique universitaire. Ouvrir la taxe CNX. 10 mai 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. Mich
- Michiel1972, via Wikimedia Commons
- « L’information sur l’hypothermie basée sur le Web: une évaluation critique des ressources Internet et une comparaison avec la littérature évaluée par les pairs » par le Dr Eric Christian, Cosmicopia, NASA est dans le domaine public
- Le contenu important de ce chapitre a été adapté des Phyiscs de l’Université OpenStax que vous pouvez télécharger gratuitement à http://cnx.org/contents/[email protected]. measure
mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules (p.ex., atomes et molécules) dans un objet, qui détermine comment un objet ressent relativement chaud ou froid
énergie qu’un corps possède en raison de son mouvement, énergie stockée par un objet en mouvement
L’augmentation du changement de volume d’un objet résultant d’un changement de température.
un dispositif qui mesure la température
définissant les valeurs des lectures d’un instrument par rapport à une propriété matérielle standard
qui relie le changement fractionnaire de longueur subi par un objet en raison d’un changement unitaire de température.
une échelle de température relative couramment utilisée aux États-Unis
L’échelle de température relative la plus courante
Unité de température SI
Une limite inférieure de température correspondant à l’énergie cinétique moyenne minimale possible des atomes et des molécules.
un système d’unités physiques (unités SI) basées sur le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, le kelvin, la candela et la mole