Température et Dilatation Thermique : Guide Complet

Unités de température

• Unité SI : Kelvin (K)
• Autres unités : Degré Celsius (°C), Fahrenheit (°F)

Lois de conversion

T(°C) = θ(K) - 273

θ(K) = T(°C) + 273

Δθ = ΔT

La température se mesure avec un thermomètre.

Le zéro absolu

Le zéro absolu est la température la plus basse possible dans l'univers : θ = 0 K et T = -273,15 °C.

Pourquoi existe-t-il ?

Dans un corps solide, les atomes sont placés dans un réseau atomique et oscillent autour d'une position d'équilibre. En chauffant le solide, les vibrations des atomes s'amplifient. En revanche, si l'on refroidit le corps, ses mouvements d'oscillation diminuent.

Lorsque les atomes sont totalement immobilisés (ils n'oscillent plus du tout), la température la plus basse possible est atteinte.

Dilatation linéaire d'un solide

En général, chaque corps chauffé se dilate (son volume augmente), à l'exception de l'eau. Lorsqu'une tige métallique est chauffée, elle se dilate en longueur.

L'augmentation de longueur (Δl) est proportionnelle à l'augmentation de température (ΔT) et à la longueur initiale (l₀). Elle varie également selon la matière.

Formule : Δl = α * l₀ * ΔT

Avec α : coefficient linéaire de dilatation d'un solide (dépend du matériau).

Définition :

Dilatation volumique

Corps solides

Soient V₀ le volume initial et ΔT la variation de température :

ΔV = β * V₀ * ΔT

Avec β = 3 * α (coefficient de dilatation volumique).

Liquides et gaz

La loi est la suivante : ΔV = γ * V₀ * ΔT

• Liquides : γ est le coefficient volumique de dilatation du liquide.
• Gaz : γ = 1/273 pour tous les gaz.

Anomalie de l'eau

En général, tous les corps (solides, liquides ou gazeux) se dilatent lorsque leur température augmente. Toutefois, l'eau présente une exception importante : elle se contracte lorsqu'on la chauffe de 0 °C à 4 °C. Au-delà de 4 °C, l'eau se dilate de nouveau.

Cela implique que la masse volumique de l'eau est maximale à 4 °C. Cette propriété physique joue un rôle crucial pour la survie des poissons en hiver :

• En été : La couche d'eau supérieure est chauffée par les rayons solaires. La couche d'eau au fond du lac reste à 4 °C, car elle est la plus dense.
• En hiver : La couche d'eau à 4 °C se retrouve au fond du lac, ce qui permet au lac de geler uniquement à partir de la surface.