L’énergie thermique, la chaleur et la température

Les particules en mouvement 

Lorsqu’on fait pénétrer de l’air dans un ballon ou un pneu, à l’aide d’une pompe à air, on réussit non seulement à les gonfler mais on a l’impression que l’air pousse dans le sens opposé du piston de la pompe.  C’est au milieu du XVIIe siècle que le chercheur britannique Robert Hooke tente d’expliquer ce phénomène en affirmant que les particules qui constituent la matière sont en mouvement continuel.  Dans le cas des molécules qui constituent l’air, elles frappent les parois de leur contenant et exercent donc sur ces parois une pression, ce qui nous permet d’expliquer le gonflement du ballon.

L’explication de Hooke portait le nom de théorie cinétique moléculaire.  Cette théorie comportait trois hypothèses :

1. Toute matière est composée de petites particules (atomes ou molécules).
2. Ces particules se déplacent continuellement.
3. Les collisions entre ces particules sont parfaitement élastiques, ce qui signifie qu’il n’y a aucune variation dans l’énergie cinétique totale de deux particules qui se frappent.

Une preuve presque directe du mouvement des particules et de l’effet de l’énergie thermique sur ce mouvement a été obtenue en 1827 par le biologiste Robert Brown.  Brown observait, à l’aide d'un microscope, des grains de pollen en suspension dans l’eau.  Il constata que les grains de pollen avaient des mouvements constants en zig-zag.  Il attribua ce mouvement au fait que les molécules d’eau devaient se mouvoir et, en se déplaçant,  devaient se heurter aux grains de pollen et les faire bouger.  De plus, lorsque l’eau était chauffée, les grains de pollen se déplaçaient plus rapidement et avec plus de vigueur. La chaleur transmise à l’eau devait avoir provoqué une accélération de ses molécules. Donc, la chaleur avait un effet sur l’énergie cinétique des molécules.  On entend par énergie cinétique, l’énergie associée au mouvement des molécules.  On peut observer le même phénomène avec des particules de fumée ou de poussière suspendues dans l’air.

La découverte des lois des gaz

Le chercheur irlandais Sir Robert Boyle né en 1627 collabora étroitement avec Robert Hooke.  On lui doit la loi sur la compressibilité des gaz :  quand la quantité d’un gaz et sa température demeurent constantes, la pression exercée par ce gaz varie en proportion inverse de son volume. 

Le chercheur Mariotte a fait la même découverte à peu près à la même période que Boyle.  La loi porte maintenant le nom de loi de Boyle-Mariotte.  On peut facilement expliquer cette loi en utilisant la théorie cinétique moléculaire.  Si on réduit l’espace qu’occupe une certaine quantité de gaz, les molécules vont frapper plus souvent les parois du contenant ce qui va provoquer une augmentation de la pression exercée par ce gaz.  

Le physicien français Jacques Charles constata à peu près à la même période qu’il existait un rapport simple entre le volume d’un gaz et sa température.  En fait, le volume d’un gaz double si on augmente sa température de 0 ^oC à 273 ^oC.    La loi de Charles s’énonce comme suit : à pression constante, le volume d’une quantité donnée de gaz varie proportionnellement à sa température en kelvins.  Effectivement, si on ne veut pas que la pression augmente, il faut augmenter le volume du gaz si on augmente sa température, puisque les molécules bougeront plus vite. Ce qui nous amène à discuter des échelles de températures qui ont été développées par différents chercheurs.

Les échelles de température

Il existe au moins trois différentes échelles de température dont l’échelle Celsius, l’échelle Fahrenheit et l’échelle Kelvin.

L’échelle Fahrenheit a été nommée en l’honneur du chercheur allemand Gabriel Fahrenheit (1686-1736).  Selon cette échelle, le point de congélation de l’eau correspondait à  32 ^oF alors que son point d’ébullition correspondait  à 212 ^oF.

L’astronome et physicien suédois Anders Celsius élabora en 1742 un thermomètre basé sur une échelle centésimale des températures.  La marque 0 correspondait au point d’ébullition de l’eau alors que la marque 100 correspondait au point de congélation de l’eau.  Ce n’est que plus tard qu’on inversa ces deux données pour obtenir l’échelle qu’on utilise encore aujourd’hui.

Pour finir , selon l’échelle Kelvin, nommée en l’honneur du chercheur britannique Lord Kelvin  (1824-1907), la valeur zéro (0) correspond à la plus basse température possible.  Au zéro absolu, les particules d’une substance n’ont plus d’énergie à perdre.  À l’échelle Celsius, le 0 K correspond à une température de  -273,15 ^oC.  Donc avec cette échelle, il n’y a jamais de température négative.  Pour convertir une température de l’échelle Celsius à l’échelle Kelvin on a qu’à lui ajouter 273 (ex. -20 ^oC  =  253 K).