Science et technologie s1006

La température et la chaleur

​Les termes chaleur et température sont souvent confondus. À tort, on s'exclame qu'il fait chaud lorsque la température est élevée, mais il s'agit de deux concepts bien distincts. Toutefois, ils sont tous deux reliés à l'énergie thermique. L'énergie thermique est l'énergie que possède une substance en raison de l'agitation de ses particules (atomes ou molécules). Elle dépend, entre autres, de la température qu'il fait, alors que la chaleur représente un transfert d'énergie thermique entre deux milieux. Il importe donc de bien distinguer ces deux notions:

La température

La température mesure le degré d'agitation des particules (atomes ou molécules): plus les molécules d'un objet sont agitées, plus la température de cet objet est élevée alors que moins elles bougent, plus la température de cet objet est basse.

Tous les objets sont constitués de molécules et d’atomes. Or, bien qu’un objet nous semble immobile, les molécules et les atomes qui le constituent ne le sont pas du tout. Les molécules et les atomes s’agitent extrêmement rapidement à l’intérieur de l’objet. Ces mouvements sont appelés agitation thermique. Ainsi, plus l'agitation est importante, plus la température d'une substance est élevée alors que la température est basse lorsque l'agitation est réduite. Dans le même ordre d'idées, si on fournit de la chaleur à une substance, les atomes formant cette substance s'agiteront davantage.


Agitation des particules (Source)

L'agitation des particules varie grandement en fonction de l'état de la matière. En effet, les molécules d'un solide vibrent assez lentement alors que les molécules d'un liquide vibrent plus rapidement et se déplacent les unes par rapport aux autres. Les molécules de gaz, quant à elles, se déplacent à grande vitesse et vibrent rapidement.


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Instruments de mesure de la température

Le thermomètre est un instrument qui sert à mesurer la température.

Trois échelles de température sont utilisées dans notre vie quotidienne et dans le domaine scientifique. Il s’agit de l’échelle des degrés Celsius, l’échelle des Kelvins et l’échelle des degrés Fahrenheit. Au Canada, les degrés Celsius sont utilisés, alors que les États-Unis utilisent plutôt l'échelle de degrés Fahrenheit.

La mesure de la températureIl existe plusieurs sortes de thermomètres, les plus utilisés sont les thermomètres à alcool.

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Le thermomètre à alcool consiste en une colonne d'alcool qui se dilate sous l'effet de la chaleur dans un tube capillaire de verre. Lorsque l'alcool est en contact avec une autre substance, il y a un échange de chaleur qui se produit. Si la substance est plus chaude que l'alcool, cette dernière lui transférera de la chaleur. La colonne d'alcool prendra alors plus de place et indiquera sur l’échelle un niveau de température plus élevé. À l’inverse, si la substance est plus froide que l'alcool, cette dernière privera l'alcool d’une quantité de chaleur. La température affichée sur le thermomètre sera alors plus petite.

Certains thermomètres ont comme liquide le mercure plutôt que l'alcool. Toutefois, puisque le mercure est un métal lourd, toxique pour les humains et pour l’environnement, le thermomètre à mercure n’est plus utilisé. Toutefois, si on en manipule un, il faut être très prudent. Si un thermomètre au mercure se brise pendant son utilisation, il ne faut surtout pas toucher au mercure.

De plus, il n’est pas sécuritaire de jeter ses débris dans les poubelles, l’évier ou les toilettes. On doit se débarrasser d’un thermomètre au mercure lors des collectes de déchets dangereux domestiques.


La chaleur

La chaleur est un transfert d'énergie thermique d'un objet à un autre lorsqu’il y a une différence de température entre les deux objets.

Si nous mettons en contact un objet froid et un objet chaud, les molécules de l'objet chaud sont plus agitées que les molécules de l’objet froid. Alors, les molécules de l’objet chaud vont entrer en collision avec les molécules de l’objet froid. Les molécules de l'objet froid commenceront donc à bouger plus rapidement, alors que les molécules de l'objet chaud seront ralenties. On dira que l'objet chaud donne de la chaleur à l’objet froid.
 
La chaleur, c'est le transfert de l'agitation thermique. Il y a un transfert d'énergie thermique entre les deux objets, ce qui mène à un changement de température des deux objets. L’objet initialement chaud devient plus froid et l’objet initialement froid devient plus chaud.

Le feu dégage une certaine quantité d'énergie thermique. Cette énergie thermique sera transférée à la poêle, et conséquemment à l'eau qui s'y trouve, ce qui permettra de la faire bouillir.

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L'énergie thermique

L'énergie thermique dépend de la quantité de particules (masse) contenue dans une substance, ainsi que du degré d'agitation (température) de ces particules. Le tableau qui suit montre comment l'énergie thermique varie en fonction de ces deux facteurs.

Facteur Variation du facteur Résultat
Quantité de particulesLorsque la quantité de particules augmente.L'énergie thermique augmente.
Lorsque la quantité de particules diminue.L'énergie thermique diminue.
TempératureLorsque la température augmente.L'énergie thermique augmente.
Lorsque la température diminue.L'énergie thermique diminue

L'énergie thermique (la chaleur) se mesure en joules. Contrairement à la température, il n'existe pas de méthode de mesure directe de la chaleur. Il faut recourir à des méthodes indirectes.

En comprenant bien la différence entre les concepts de température et de chaleur, on peut alors expliquer l’observation suivante.

Quand on touche une table dont le dessus est en bois et le pied est en métal, le dessus en bois nous semble chaud tandis que le pied en métal nous semble froid. Pourtant, ces deux objets sont dans la même pièce. Ils devraient donc être à la même température. Comment expliquer cette différence de sensation ? La table et le pied sont effectivement à la même température. Or, ce que nous sentons quand nous touchons ces objets, ce n'est pas directement la température, mais la chaleur que les objets nous donnent ou nous prennent.

Le bois est un isolant thermique. C’est pourquoi la chaleur de notre main, qui est plus chaude que le dessus de la table, ne se propage pas. Cela nous procure alors une sensation de chaleur dans notre main. À l’inverse, lorsque nous touchons au pied en métal de la table, le pied en métal prend la chaleur de notre main, car ce dernier est un conducteur thermique. Cela nous procure une sensation de froid dans notre main tout simplement parce que le morceau de métal nous prend plus de chaleur.


L'énergie thermique
L'énergie thermique (Q=m*c*deltaT)


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