Glossaire

température absolue

  Curieux  

La température absolue ou température thermodynamique est une mesure de la température exprimée dans une échelle de température différente de l' échelle Celsius , et qui est appelée elle-même l' échelle absolue ou échelle thermodynamique . Le degré 0 de cette échelle , ou "zéro absolu", correspond à - 273,15 °C , et les lois de la physique démontrent qu'aucun corps matériel ne peut voir sa température descendre plus bas que cette valeur. En outre, les degrés de l'échelle absolue, appelés des kelvins (en abrégé : K ), sont choisis de telle manière que la graduation de l'échelle Celsius entre 0 °C et 100 °C se fasse de façon identique à celle de l'échelle absolue entre 273,15 K et 373,15 K : ainsi, une croissance de température de 1 °C correspond exactement à une croissance de température de 1 K, et si TC et TK représentent les valeurs respectives de la température d'un corps en degrés Celsius et en kelvins, on aura simplement TC = TK - 273,15 ou TK = TC + 273,15 (par exemple, une température de 20 °C équivaut à 20 + 273,15 kelvins, soit 293,15 K).

Ce sont les principes de la thermodynamique qui permettent de définir une échelle absolue dans laquelle les températures , alors dites températures absolues, sont toujours positives et sont telles que pour toute parcelle de gaz de masse fixée, le produit de la pression par le volume, rapporté à la température absolue en kelvins, garde une valeur constante ; cette loi, dite équation d'état des gaz parfaits , s'applique dans l' atmosphère à l' air sec et à la vapeur d'eau ainsi qu'à leur mélange, c'est-à-dire à l' air .


  Initié  

Température absolue et énergie interne des gaz parfaits

Une parcelle de fluide peut à tout instant t être considérée comme un système thermodynamique de masse m , dont l'état est caractérisé par son volume V , sa température absolue T et la pression p qu'il exerce sur toute surface intérieure ou adjacente au volume V . Au terme d'un intervalle de temps δt , ce système passe de son état initial (à l'instant t ) à son état final (à l'instant t + δt ) en échangeant avec le milieu extérieur un certain travail δW et une certaine quantité de chaleur δQ (δW ou δQ sont comptés positivement si le système reçoit du travail ou de la chaleur du milieu extérieur, négativement s'il lui en fournit) : la variation d' énergie interne δE subie par le système durant l'intervalle de temps δt est alors égale par définition à δW + δQ. Dans ces conditions, le premier principe de la thermodynamique énonce que la valeur de δE est indépendante de la transformation ou de la suite de transformations qu'a pu subir le système considéré pour passer de son état initial à son état final et n'est fonction que de ces deux états : on dit encore que l'énergie interne E est une "fonction d'état" du système, car sa valeur est déterminée — à une constante arbitraire près — dès lors qu'est connu cet état, caractérisé à l'instant t par les valeurs de V , T et p à cet instant.

En particulier, l'état d'une masse déterminée m d'un certain corps de composition fixe à l'état gazeux peut se caractériser à chaque instant t par les valeurs de V , T et p . Ces trois grandeurs d'état synthétisent à l' échelle macroscopique les effets des forces auxquelles restent soumis à l' échelle microscopique les atomes ou les molécules dont ce corps chimique est constitué, qu'il s'agisse d'actions simples — par exemple la réflexion contre une paroi — ou d'interactions. Pareilles interactions sont de nature diverse — par exemple l'attraction réciproque par gravitation — , mais à l'exception des collisions entre particules, elles tendent à jouer un rôle de moins en moins important à mesure que la pression p faiblit et que la température T s'éloigne de celle du "point critique" où les phases gazeuse et liquide ne se différencient plus. En ce sens, le comportement du gaz se rapproche de plus en plus de celui d'un gaz parfait , c'est-à-dire d'un gaz "idéal" satisfaisant à trois propriétés fondamentales :
 

  • les trois grandeurs d'état sont liées par l' équation d'état des gaz parfaits , qui prend la forme p V = m R T , où R est une constante spécifique du corps considéré ;

  •  
  • l'énergie interne E de ce corps, obéissant à la loi de Joule — d'après le nom du physicien anglais James Prescott Joule (1818-1889) — , ne dépend que de sa température T pour une masse m donnée ;

  •  
  • la chaleur massique à pression constante et la chaleur massique à volume constant du corps ne dépendent pas de la température (il s'agit des quantités de chaleur C p et C v nécessaires pour élever de 1 K une masse unité de ce corps, respectivement à pression constante et à volume constant).


  • On peut montrer que les deux dernières propriétés équivalent à écrire que E, à une constante arbitraire près (que l'on peut choisir nulle), est égale à m C v T ; les deux chaleurs massiques sont alors liées par l'égalité C p - C v = R , appelée relation de Mayer , du nom du physicien et médecin allemand Robert von Mayer (1814-1878). Ainsi, l'énergie interne d'une parcelle de gaz parfait de masse unité est toujours proportionnelle à la température absolue de cette parcelle, le coefficient de proportionnalité n'étant autre que la chaleur massique à volume constant C v ; et dans l' atmosphère , ce résultat s'applique à l' air sec comme à la vapeur d'eau .

 


Température absolue et rendement

Les déplacements horizontaux et verticaux de l' air sont imprimés par des processus de transformation d'énergie qui constituent, au sens propre, les "moteurs" de l'atmosphère. Si nombre de ces processus agissent partiellement par échange d'énergie mécanique (par exemple lors des ascendances , avec la conversion d' énergie cinétique en énergie potentielle ), il reste que les sources premières d'alimentation en énergie sont, à des échelles spatio-temporelles suffisamment étendues, des sources thermiques, et cela d'autant plus que le rayonnement solaire , à l' échelle globale , constitue pour le milieu atmosphérique le seul vecteur externe d'énergie : cet apport se traduit par une répartition des températures qui est non seulement inégale suivant les zones méridiennes , mais aussi variable suivant les époques de l'année. De la sorte se constituent dans la troposphère des "sources chaudes" et des "sources froides" (ou "puits") d'énergie thermique, qui sont influencées par la nature de la surface terrestre sous-jacente et qui, souvent, sont rapidement évolutives, le mouvement qu'elles créent ayant continuellement une action en retour sur leur distribution.

Selon le second principe de la thermodynamique , la conversion d'énergie thermique en mouvement, donc en énergie mécanique, ne peut se faire depuis une source chaude que si une partie de la quantité de chaleur ΔQ C fournie par cette source est indisponible pour le processus de création du mouvement (qui transforme donc en travail une quantité inférieure ΔQ C - ΔQ F ) et alimente uniquement une source froide, en quantité ΔQ F : le rendement du "moteur thermique" que représente ce processus est alors égal par définition au rapport (ΔQ C - ΔQ F ) / ΔQ C , soit 1 - (ΔQ F / ΔQ C ). Le modèle le plus simple d'un tel moteur est fourni par le cycle de Carnot , du nom du physicien français Sadi Carnot (1796-1832) : à chaque état initial, un gaz parfait est enclos dans un cylindre de volume V 1 obturé par un piston, et sa température absolue T C est celle de la source chaude ; en tirant le piston, on provoque d'abord une détente isotherme qui agrandit le volume du gaz jusqu'à une valeur V 2 et lui fait emprunter la quantité de chaleur ΔQ C , puis, après isolation thermique du cylindre, une détente adiabatique qui agrandit encore le volume du gaz jusqu'à une valeur V 3 tout en le refroidissant jusqu'à la température T F de la source froide ; l'isolation étant alors supprimée, on repousse le piston de façon à provoquer une compression isotherme qui diminue son volume jusqu'à une valeur V 4 en lui faisant rejeter une quantité de chaleur ΔQ F , et l'on isole de nouveau le cylindre pour qu'une compression adiabatique ramène le gaz au volume V 1 et à la température T C de l'état initial. On peut montrer que lors d'un tel cycle, le rapport ΔQ F / ΔQ C est égal à T F / T C , de sorte que le rendement de cette "machine de Carnot" est égal à 1 - ( T F / T C ).

Les évolutions subies au cours d'un cycle par le gaz contenu dans la machine de Carnot sont supposées "réversibles" : cela signifie que si l'on fait passer le gaz d'un état à un état très voisin, l'évolution inverse serait possible sans apport supplémentaire d'énergie. Dans la réalité, tous les processus d'échange entre chaleur et mouvement sont "irréversibles" et ont donc un rendement inférieur à cette machine : tel est le cas dans l'air, où ces processus s'accompagnent de diffusions de matière, de frottements , de réactions chimiques, etc. La notion de rendement n'en est pas moins applicable aux différents processus cycliques — à vrai dire beaucoup plus complexes — qui transforment chaleur en mouvement dans l'atmosphère.