Overview
La température est une mesure du degré d’ampleur de la chaleur dans un objet ou une matière. Elle peut également être définie comme la quantité moyenne d’énergie cinétique dans les particules qui composent l’objet ou la matière. L’énergie est transférée entre les objets et la matière de température plus élevée vers ceux de température plus basse, jusqu’à ce que les températures s’équilibrent en équilibre thermique. C’est ce qu’on appelle la conduction thermique. Par exemple, si vous ouvrez la fenêtre en hiver, l’air de la pièce transférera la chaleur vers la rue, jusqu’à ce que la température de la pièce soit la même que celle de l’extérieur. Les matériaux ont différents niveaux de susceptibilité à ce transfert de chaleur, ou conductivité thermique. Certains matériaux sont plus résistants à la conductivité thermique que d’autres. Cela signifie qu’ils ne transfèrent pas la chaleur aussi bien que d’autres matériaux. Les matériaux à faible conductivité sont utilisés pour l’isolation thermique.
La température est mesurée à l’aide d’un thermomètre, et la température la plus basse possible est de -273,15°C.
Unités
La température est mesurée en degrés mais trois échelles différentes existent : Celsius (l’échelle la plus courante), Fahrenheit (utilisée aux États-Unis et dans plusieurs autres pays) et Kelvin (utilisée en science). Les échelles Kelvin et Celsius ont des points différents fixés comme zéro. En Celsius, il s’agit de la température de congélation de l’eau, tandis qu’en Kelvin, c’est la température la plus basse possible, soit -273,15°C. L’échelle Fahrenheit diffère non seulement par le point zéro, mais utilise également une formule d’incrémentation différente. Pour convertir les degrés Celsius en Fahrenheit, la formule ci-dessous peut être utilisée :
°C = 5⁄9 (°F – 32).
Le point de congélation de l’eau correspond à 32°F.
L’unité SI de température est un degré dans l’échelle Kelvin et est appelée Kelvin (K).
La température en physique et en chimie
La température détermine l’état de la matière : plasma, gaz, liquide ou solide. Les molécules vibrent au sein de la matière, et l’élévation de la température augmente l’énergie cinétique et la vitesse des molécules. Les molécules vibrent davantage et s’éloignent suffisamment les unes des autres pour passer de l’état solide à l’état liquide puis à l’état gazeux. La distance entre les molécules et l’énergie cinétique qu’elles stockent sont les plus grandes dans les gaz et les plus faibles dans les solides. Les matériaux qui ne changent pas d’état à haute température sont appelés matériaux réfractaires. Par exemple, la plupart des céramiques ne changent pas d’état solide même si elles sont exposées à des températures très élevées, jusqu’à 1000°C. Certains matériaux fondent et se transforment en liquides lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées, tandis que d’autres, comme le bois, brûlent. La plage de températures qui permet à la matière d’exister sous forme liquide est généralement assez réduite. Le chauffage d’un gaz entraîne la division des atomes en particules chargées, les ions et les électrons – un processus appelé ionisation. Un gaz partiellement ou totalement ionisé est appelé plasma ; c’est un système électriquement neutre. La plupart de la matière dans l’Univers est sous forme de plasma.
La température affecte la conductivité électrique et sert de catalyseur aux réactions chimiques. Celles-ci peuvent être accélérées ou ralenties par des changements de température.
Le point triple de l’eau
Le point triple de l’eau est la température et la pression auxquelles ses trois phases (vapeur, eau liquide et glace) coexistent en équilibre thermodynamique. La seule combinaison de pression et de température à laquelle l’eau liquide, la glace solide et la vapeur d’eau peuvent coexister dans un équilibre stable se produit à exactement 0,01 °C (273,16 K) et à une pression de vapeur partielle de 611,73 Pa. À ce point, il est possible de changer toute la substance en vapeur, en eau ou en glace en effectuant des changements arbitrairement petits dans la pression et la température.
Le point triple vapeur-eau liquide-glace de l’eau correspond à la pression minimale à laquelle l’eau liquide peut exister. À des pressions inférieures au point triple (comme dans l’espace), la glace solide, lorsqu’elle est chauffée à une pression constante, se sublime directement en vapeur d’eau. Au-dessus du point triple, la glace solide, lorsqu’elle est chauffée à une pression constante, fond d’abord pour former de l’eau liquide, puis s’évapore ou bout pour former de la vapeur à une température plus élevée.
Le point triple de l’eau est parfois utilisé dans l’étalonnage des équipements de mesure et des thermomètres. Des cellules de point triple de l’eau sont utilisées à cet effet. Ces cellules fournissent la température exactement 273,16 К (0,01° С).
Température effective
La température effective d’un corps est la température d’un corps noir, qui émettrait autant d’énergie par unité de surface de sa surface que ce qui est rayonné par chaque unité de surface d’un corps donné.
Un corps noir est un corps, qui absorbe toutes les radiations dans l’ensemble du spectre qui entrent en contact avec sa surface.
Nous pouvons calculer cette température en utilisant la loi de Stefan-Boltzmann, qui stipule que la puissance du rayonnement d’un corps noir est proportionnelle à la quatrième puissance de la température. Par exemple, pour la Terre, cette valeur est d’environ 250 K ou -23 °C, mais en même temps, nous savons que la température moyenne de la surface de la Terre est généralement plus élevée, environ +15 °C. Cette incohérence entre la température réelle et la température effective s’explique par l’atmosphère de la Terre, qui provoque un effet de serre et empêche la Terre de perdre cette chaleur. Ainsi, 250 K est la température des couches supérieures de l’atmosphère. Autrement dit, la température effective de la Terre est la température que l’on voit depuis l’espace.
En connaissant la température effective d’une étoile, nous pouvons trouver sa classe spectrale, ou en d’autres termes – la gamme de longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique qu’elle émet. La température effective du Soleil est d’environ 6000 K et la valeur maximale du rayonnement est de 470 nm, ce qui correspond à la région spectrale verte, même si elle nous semble jaune.
Température dans l’Univers
Lorsque nous parlons des températures présentes dans l’Univers, la gamme de ces températures est vaste, allant des températures extrêmement basses aux températures extrêmement élevées.
Par exemple, la température effective du fond diffus cosmologique, qui est le rayonnement résiduel du Big Bang, est de seulement 2,7 K. Cette valeur est très proche du zéro absolu.
En revanche, la température des étoiles peut atteindre 40 000 K. Le rayon de ces étoiles est généralement très grand, dix fois ou plus que le rayon du Soleil. Un exemple d’une telle étoile est Alnitak A, une supergéante bleue de la constellation d’Orion. Son diamètre est 20 fois supérieur à celui du Soleil.
Les températures au sein du noyau des étoiles est encore plus élevé, car ces températures extrêmes sont nécessaires pour que les réactions thermonucléaires aient lieu. Par exemple, une énergie très élevée au sein du noyau est la condition préalable à la réaction, qui transforme les éléments légers en éléments plus lourds. Une température extrêmement élevée est donc nécessaire. La température au cœur de notre Soleil atteint 15 000 000 K.
Température en biologie
La température affecte les processus biologiques des formes de vie. Les organismes complexes possèdent un centre de contrôle pour maintenir des températures constantes, et ils utilisent également les fluctuations de la température corporelle comme mécanismes de défense. Par exemple, pour éliminer les bactéries ou les virus lorsqu’ils sont infectés par eux, les humains augmentent la température corporelle au-delà de ce que les organismes envahisseurs peuvent tolérer. Dans un autre exemple, les rongeurs, ainsi que certains mammifères comme les ours, suppriment les processus métaboliques, diminuent la température corporelle et ralentissent la respiration et le rythme cardiaque. Ce processus s’appelle la dormance, et c’est un mécanisme de survie pour les saisons où la nourriture n’est pas disponible ou se fait rare. L’hibernation en hiver et l’estivation en été sont des exemples de dormance. Les animaux en hibernation ont parfois des températures très basses, voire inférieures à 0°C. Par exemple, la température abdominale des écureuils arctiques peut atteindre -2,9°C. Les plantes deviennent également dormantes dans les climats froids.
L’animation suspendue
Induire le ralentissement du métabolisme chez les organismes vivants sans mettre fin à leur vie est appelé animation suspendue. Il peut s’agir d’un état auto-induit ou d’un état provoqué de l’extérieur. Certains animaux restent naturellement dans cet état à certaines étapes de leur vie. Les organismes vivants en animation suspendue sont sur le point de mourir, mais des essais sur des animaux ont montré qu’ils pouvaient être ramenés à la vie avec succès, sans dommages neurologiques ou tissulaires. De nombreux chercheurs espèrent qu’il en sera de même pour les humains. Les chercheurs pensent que l’animation suspendue permettra de sauver la vie de personnes souffrant de blessures et de problèmes de santé potentiellement mortels, tels que des crises cardiaques. Les personnes blessées souffrent généralement d’une grave perte de sang, qui entraîne un manque aigu d’oxygène, car le sang transporte l’oxygène dans le corps jusqu’aux organes qui en ont besoin. Dans de tels cas, de graves lésions neurologiques et tissulaires, voire la mort, sont souvent le résultat du manque d’oxygène dans les organes vitaux, notamment le cerveau. Lorsqu’une personne blessée est en animation suspendue, le corps n’a pas besoin de fonctionner à pleine capacité, et la demande d’oxygène devient minimale. Cela empêche également les dommages irréversibles, tels que la mort des cellules et des tissus, de se produire, pendant que le personnel médical effectue les procédures médicales nécessaires pour sauver le patient. L’animation suspendue peut permettre de disposer de plus de temps pour transporter les patients blessés et malades vers un établissement de soins, et pour effectuer un traitement d’urgence.
Les êtres vivants en animation suspendue survivent à des températures extrêmement basses, et il existe des cas enregistrés de personnes ayant survécu à l’hypothermie par une animation suspendue auto-induite. Les personnes en état d’hypothermie sont également connues pour survivre sans nourriture et sans eau pendant des périodes plus longues que celles possibles dans un état normal. Les embryons sont également conservés dans cet état pour le traitement de la fertilité et peuvent survivre pendant des périodes supérieures à dix ans. Les astronautes peuvent également en bénéficier lors de vols longue distance.
Les chercheurs mènent actuellement des expériences sur des animaux en remplaçant leur sang par des solutions salines à basse température ou en les plaçant dans des chambres avec des produits chimiques qui induisent une animation suspendue. Les animaux sont ensuite ramenés à la vie avec des taux de réussite statistiquement significatifs. Depuis 2008, des études sur l’homme ont été menées.
Cryonique
Les scientifiques espèrent que la préservation d’organismes vivants morts, y compris les humains, dans un environnement à basse température permettra un traitement et une renaissance futurs. Cette conservation est appelée cryoconservation, et la discipline qui l’étudie est appelée cryogénie. La technologie actuelle permet la cryoconservation de tissus, de parties ou d’un corps entier. Habituellement, la température d’environ 77 K ou -196°C est utilisée dans ce processus. Il s’agit du point d’ébullition de l’azote liquide, la substance souvent utilisée pour congeler des organismes complexes. Ces températures sont trop basses pour permettre les réactions biochimiques qui provoquent la mort des cellules. De nombreuses complications surviennent souvent au cours de la phase de congélation, comme des dommages cellulaires dus à la formation de glace. Avec les méthodes de congélation actuelles, on estime que les tissus cryoconservés peuvent durer jusqu’à 1000 ans. Les chercheurs suggèrent qu’au-delà de ce point, des dommages à l’ADN sont susceptibles de se produire, mais ils espèrent que d’ici là, de nouvelles technologies seront disponibles pour inverser ces dommages.
Plusieurs sociétés de cryogénie proposent désormais la cryoconservation post-mortem d’animaux domestiques et de personnes. Le processus est coûteux et il y a eu des problèmes dans le passé avec la décongélation des corps. Dans certains cas, seule la tête est cryoconservée, et les sociétés facturent généralement moins pour cette procédure que pour la préservation du corps entier. Cela pose un problème financier potentiel à l’avenir, car si la technologie est en place pour faire revivre le corps, alors les individus à tête seule auront besoin d’un corps hôte – potentiellement plus coûteux que de faire revivre un corps.
Température dans la cuisson
La cuisson utilise souvent la chaleur pour décomposer ou modifier la structure des composants alimentaires. Par exemple, la chaleur décompose le tissu musculaire de la viande et la rend plus tendre. Le contrôle des températures dans la préparation des aliments est quelque chose que seuls les humains font, et les anthropologues s’accordent à dire que nous utilisons la chaleur pour cuisiner depuis 250 000 ans. Le froid est également utilisé dans la préparation des aliments, par exemple pour tuer les parasites dans le poisson qui doit être consommé cru comme sushi ou sashimi. Les congélateurs industriels sont utilisés à cette fin, car les congélateurs domestiques n’atteignent pas les températures souhaitées d’environ -37°C.
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