L’IMPORTANCE DES EXPERIENCES DANS
L’ENSEIGNEMENT APPRENTISSAGE DES SCIENCES PHYSIQUES

TEMPERATURE 

La notion de température est utilisée dans plusieurs domaines de la vie quotidienne tels que dans le domaine de la santé (repérer la fièvre par exemple) ou dans le domaine industriel (repérer les changements d’états par exemple). C’est pour cela qu’elle a été introduite dans l’enseignement/apprentissage des sciences physiques. Pour avoir plus d’information sur ce concept, nous verrons dans la suite quelques détails. 

Notion intuitive 

La température est associée aux sensations intuitives de « chaud » et de « froid ». Toutefois, ces sensations permettent de constater que si on met en contact deux corps à des « températures » différentes, au bout d’un temps plus ou moins long, ils finissent par être à la « même température ». L’homme peut, avec son sens du toucher, déterminer qualitativement si un corps est chaud ou s’il est froid ; généralement, cette mesure se fait par comparaison entre notre propre température corporelle et celle de l’objet : si celui-ci est plus froid, notre sens du toucher nous donnera une information de type « froid », alors que si la température de l’objet que nous touchons est plus élevée que celle de notre corps, l’information transmise sera de type « chaud ». Mais cette manière de mesurer la température n’est pas assez satisfaisante pour être utilisée correctement en physique. Par exemple si on plonge le doigt dans un récipient contenant de l’eau tiède juste après avoir été en contact avec un objet très froid, la sensation de « chaud » sera plus fort que si l’on vient de toucher un objet très chaud. D’autre part, on sait qu’à même température (par exemple dans la même pièce), un objet métallique donnera l’impression d’être plus froid qu’un objet en bois. La pratique intuitive ne donne donc pas une information quantitative, mais qualitative, car, les limites physiologiques ne donnent pas un éventail suffisant pour que cette méthode puisse être utilisée. En effet, on sait, par exemple, que le contact entre la peau et l’azote liquide (-196°C) produit approximativement les mêmes effets et impressions physiologiques (brûlures) que de la vapeur d’eau à 100°C (Barras, 2001). C’est cette constatation empirique qui est à l’origine, à la fois de la notion de quantité de chaleur et de l’instrument de repérage de la température : le thermomètre. 

Mesure de température 

Les physiciens ne se sont pas contentés de la notion qualitative de la température, ils ont cherché à quantifier la température d’un corps.

Différents types de grandeur quantitative

 Nous allons présenter ci-après deux types de grandeur 

Grandeur mesurable et repérable

Selon Mohamed (2016), une grandeur physique est mesurable s’il est possible de lui associer une valeur numérique et de définir l’égalité et l’addition de deux valeurs de cette même grandeur. Il existe deux types de grandeurs mesurables : – Les grandeurs scalaires : longueur, masse, temps, aire, volume, calorie, chaleur spécifique. – Les grandeurs vectorielles : position, vitesse, accélération, … 5 Selon Marilier (1994), une grandeur repérable est une grandeur pour laquelle on peut définir une relation d’ordre. Ceci permet de comparer et d’ordonner des objets selon cette grandeur. Une grandeur mesurable peut donc aussi être repérable. Exemple : dureté, viscosité, rigidité diélectrique, … La température est une grandeur repérable.

Grandeur extensive et intensive (Ben Gaïda, 2007) 

Les variables extensives sont des variables ayants des propriétés additives, et qui dépendent de la quantité de matière d’un système (proportionnelles à la masse et au volume du système. On dit que ces variables caractérisent un système thermodynamiquement défini, dans un état donné. (Montagne, 2011) Les variables intensives sont des variables indépendantes de la taille du système thermodynamique. Une grandeur physique est dite intensive, si et seulement si pour toute partie d’un système homogène sa valeur reste identique et égale à sa valeur pour le système entier. Elles sont indépendantes de la quantité de matière contenue dans le système et caractéristiques du comportement interne des constituants (masse volumique, pression, température, degré d’avancement d’une réaction chimique …). Pour un système homogène, il peut être commode de ramener les variables extensives à l’unité de masse. On parle alors de grandeurs massiques (ou spécifiques). A l’inverse, un système sera dit homogène, si toutes les variables intensives y prennent une valeur identique dans toutes les sous parties de ce système. La température est une grandeur intensive.

 Les différentes échelles et leurs inventeurs (Ottello, 2007)

 Les échelles de température ont été établies pour identifier les différences de température d’un corps ou des facteurs atmosphériques de manière fiable et universelle. Selon Ottello (2007) ; deux unités de température existent actuellement dans le Système International : Le Kelvin et le degré Celsius. Mais dans les siècles passés, plusieurs échelles de mesure des températures furent définies, basées sur deux points fixes ou plus.

Le degré Fahrenheit

 La première échelle à être universellement reconnue, fut celle de Gabriel Fahrenheit (1686-1736), un Hollandais, qui, au début du XVIIIe siècle, fabriqua des thermomètres à mercure. Son échelle reposait sur deux points : • Le point bas représentait la température la plus basse que Fahrenheit pouvait reproduire et qu’il nomma « zéro degré ». Elle était donnée par un mélange de glace et de sel. Cette température correspond à environ – 17,8 °C. • Le point haut représentait la température du sang humain qu’il nomma « 96 degrés ». Cette température correspond à environ 35,5 °C. Quoi qu’il en soit, dans la glace fondante, un thermomètre Fahrenheit indique 32 °F et 212 °F à l’ébullition de l’eau.

Le degré Celsius 

Le physicien suédois Anders Celsius (1701-1744) fit construire en 1741 un thermomètre à mercure, qui marquait 0 degré au point d’ébullition et 100 au point de congélation de l’eau et qui fut utilisé de 1742 à 1750 à l’observatoire scandinave d’Uppsala (Upsal en français). En 1745, Linné présenta à l’Académie suédoise des sciences un 6 thermomètre à mercure à échelle centésimale ascendante ayant le zéro au point de congélation de l’eau. À la même époque, le secrétaire de l’Académie des beaux-arts de Lyon, Jean-Pierre Christin (1683-1755), faisait construire par l’artisan lyonnais Pierre Casati un thermomètre à mercure à échelle centésimale ascendante, qu’il présenta le 19 mars 1743 à l’assemblée publique de cette académie. Il a été a décidé en 1794, au cours de la période de la révolution française, que « le degré thermométrique sera la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l’eau bouillante ». En octobre 1948, à la suite d’une décision de la IXè Conférence des poids et mesures, le degré centésimal a pris le nom de degré Celsius. (Ottello, 2007) 

Le kelvin 

Le physicien anglais William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin, introduit en 1848 l’échelle absolue de température. Par cette échelle, la notion de zéro absolu est établie comme étant la température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps étudié. Il s’agit de la température la plus basse qu’il puisse exister dans l’univers et correspond à l’arrêt de l’agitation moléculaire. Une température ainsi exprimée ne peut pas être négative (ni même nulle !). L’échelle absolue ne fait intervenir qu’un seul point de référence : la valeur particulière du point triple de l’eau273,15 K. Le point triple de l’eau correspond aux conditions dans lesquelles coexistent les trois états (liquide, solide et gazeux). Le Kelvin est donc la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique 1 du point triple de l’eau. 

Le degré Rankine 

L’échelle Rankine (°R) n’est que la transposition en degré Fahrenheit de l’échelle des températures absolues Kelvin, nommée ainsi en l’honneur d’un pionnier de la thermodynamique : William John Macquorn Rankine (1820-1872). Le °R est égal à la température en °F + 459,67. 

Le degré Réaumur 

René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) fut amené à inventer, vers1730, à cause de l’imprécision des mesures employées, le thermomètre à alcool qui porte son nom. Bien qu’il ait été détrôné plus tard par le thermomètre Celsius, il constitua un notable progrès au XVIIIe siècle. Son échelle fut fixée, en 1732 à zéro degrés pour la température de fusion de la glace et à 80 degrés pour l’ébullition de l’esprit-de-vin (alcool). Pendant une certaine période, la température d’ébullition de l’eau se trouvait à une division comprise entre 80 et 100 degrés Réaumur sur le thermomètre de Réaumur. Cette constatation conduisit, en 1772, le physicien genevois Jean-André Deluc (1727-1817) à proposer une division en 80 parties de l’intervalle fondamental du thermomètre Réaumur dans les pays l’ayant adopté. Les constructeurs français normalisèrent peu à peu leur échelle suivant cette proposition, mais le renom laissé par Réaumur était alors si grand qu’ils lui donnèrent son nom. L’usage du thermomètre de Réaumur dura jusqu’au tout début du XXe siècle en Allemagne méridionale, en Espagne, en Russie et en Amérique du sud. 1C’est la mesure de la température absolue en degré Kelvin, utilisée en thermodynamique 7 I.3- Principe du thermomètre Le thermomètre est un instrument destiné à mesurer la température. Le but des nombreux savants qui ont créé et modernisé le thermomètre est de déterminer à quel point les objets sont chauds ou froids. Le fonctionnement de celui-ci est basé sur la variation des propriétés physiques (dilatation thermique, pression, etc.) en fonction du changement de température. Pour mesurer la température d’un corps, on doit placer le thermomètre de façon à ce qu’il puisse échanger de la chaleur avec le corps considéré (on dit qu’ils sont en contact thermique), et attendre que l’équilibre thermique soit établi. 

Aspect microscopique 

Du point de vue microscopique, la température mesure le degré d’agitation des différents constituants (molécules, tomes, ions) d’une substance. Lorsque la substance est chauffée (la température augmente), la vitesse à laquelle ses molécules se meuvent croît, puis décroît lorsque la substance se refroidit (la température diminue). La température est donc une mesure de l’énergie cinétique moyenne des atomes, énergie liée à la vitesse. Dans la matière, les particules sont soumises à l’agitation thermique. A la température absolue T, l’énergie cinétique moyenne de translation d’une particule de masse m est : 𝐸𝑐 ̅̅̅= 1 2 mv2 Dans un repère à trois dimensions 𝐸𝑐 ̅̅̅= 1 2 mv2 x+ 1 2 mv2 y+ 1 2 mv2 z Or, d’après le théorème de l’équipartition selon Bourdreux (2004), à chaque terme quadratique correspond une énergie moyenne1 2 ⁄ k T. Donc, l’énergie cinétique moyenne de translation de la particule est : 𝐸𝑐 ̅̅̅= 3 2 k T K est la constante de BOLTZMAN (k= 1,38. 10- 23J.K-1 ) T est exprimé en Kelvin (K) La température est donc proportionnelle au carré de la vitesse des particules. Plus la température augmente, plus les particules sont agitées. Il ne faut pas se représenter l’univers microscopique comme un univers immobile, c’est tout le contraire. Dans les liquides et les gaz où les molécules peuvent se déplacer, la vitesse de déplacement augmente quand la température augmente. L’énergie cinétique des molécules d’un gaz augmente lorsque la température augmente. Ces molécules se déplacent continuellement dans toutes les directions avec une plus grande vitesse, et leur choc contre les parois d’un récipient qui les contient devient plus violent. Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la pression d’un gaz à volume constante. Un solide cristallin est constitué par un grand nombre de particules (ions, atomes, molécules) situés en des points précis de l’espace. Dans les solides, les particules ne peuvent osciller qu’autour d’une position fixe. Le volume d’un métal augmente lorsque la température augmente. En effet, les ions du réseau peuvent vibrer dans les trois directions et lorsque la température croît, l’amplitude de vibration croît. Chaque ion occupe davantage de place dans le réseau. Ce qui fait que leur écartement 8 augmente et cela se traduit par la dilatation volumique du métal. La résistance et la conduction électrique des solides métalliques aussi dépendent de la température. La résistance électrique d’un métal augmente avec la température et par conséquent sa conduction électrique diminue. 

 Dilatation 

La plupart des matériaux augmentent de volume quand la température augmente. C’est la dilatation. C’est cette propriété, qui est utilisée dans la construction de la plupart des thermomètres.  Dilatation des solides. Selon la forme de l’échantillon (allongé ou massif) on s’intéresse plutôt à la variation de longueur ou de volume de l’échantillon.  Dilatation linéique : la longueur L de l’échantillon est généralement beaucoup plus grande que son diamètre : la variation ΔL de la longueur s’écrit : Où α est le coefficient de dilatation linéique Remarque : le signe de ΔL est le même que celui de ΔΤ.  Dilatation volumique : la même approche que ci-dessus permet d’écrire Où 𝛾est le coefficient de dilatation volumique du corps Monard a montré que pour un solide, le coefficient de dilatation volumique vaut : Démonstration :En considérant un cube de côté L = 1 m à 20°C, on peut montrer que son volume à 21°C vaudra V’=(L(1+𝛼ΔT))3 =L3+(1+𝛼) 3 =1+3𝛼+3𝛼 2+𝛼 3 =1+3𝛼. Car on peut négliger𝛼 2 et 𝛼 3 devant 3𝛼 (la grandeur du coefficient 𝛼 est environ de 10-5 ). ΔL = 𝛼. L. ΔT L en m T en K Α en K-1 ΔV = 𝛾. V. ΔT V en m3 T en K 𝛾 en K -1 𝛾 = 3.𝛼 𝛾 en K-1 𝛼 en K-1 9  Dilatation des liquides. Les liquides n’ayant pas de forme propre, seule la dilatation volumique a un sens. La relation est la même que pour les solides : Le coefficient de dilatation des liquides est de 10 à 100 fois plus grand que celui des solides. On considère un ballon surmonte d’un tube de verre de faible diamètre. L’eau emplit le ballon et atteint un niveau A dans le tube. Plongeons le ballon dans l’eau très chaude, le niveau du liquide baisse jusqu’en B et remonte ensuite en C au-dessus du niveau A. Figure 1: Dilatation absolue et apparente du liquide. (Perrot, 2011) ˗ La descente de A en B du liquide correspond à la dilatation du ballon. ˗ Le liquide se dilate après le ballon. ˗ Le liquide se dilate davantage que le ballon puisque le point C est au-dessus du point A. La différence entre la dilatation du liquide et celle du ballon s’appelle la dilatation apparente. La variation réelle de volume du liquide, qui ne tient pas compte de la variation de volume de l’enveloppe s’appelle la dilatation absolue. Le liquide est vraiment sensible par rapport au solide en dilatation, c’est pourquoi que parfois, les thermomètres utilisent des liquides. L’eau présente une anomalie en raison d’un arrangement particulier de ses molécules entre 0 et 4 °C. Entre ces deux températures, le volume diminue au fur et à mesure que la température augmente.  Dilatation des gaz. Le volume d’un gaz est dépendant de sa température, un gaz peut se dilater ; mais si le volume d’un gaz est maintenu constant, une augmentation de sa température provoque une augmentation de sa pression. ΔV = 𝛾. V. ΔT V en m3 T en K 𝛾 en K-1 10 La pression, la température et le volume d’un gaz sont interdépendants. Toutefois en maintenant la pression constante, on peut mettre en évidence une relation entre volume et température semblable à celle des liquides : Où le coefficient γ a la particularité d’être le même pour tous les gaz. La pression d’un gaz résulte des chocs des molécules entre elles et avec les parois du récipient le contenant. Ce principe sera utilisé dans les thermomètres à gaz. 

 Les différents thermomètres

Selon Belloy (2014), il existe deux groupes de thermomètre :  Les thermomètres qui nécessitent un contact direct.  Les thermomètres qui ne nécessitent pas de contact direct. 

 Thermomètres qui nécessitent un contact direct Quatre types de thermomètre reposant sur des phénomènes différents nécessitent des contacts directs avec le corps à repérer. 

Thermomètre à résistance

Le fonctionnement des thermomètres à résistance est basé sur un phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d’un conducteur avec la température. Si la température d’un conducteur augmente, ses ions vont s’agiter plus fortement. La conséquence en est que les électrons passent encore moins bien à travers le conducteur : la résistance augmente. Lorsque la température varie on a : R = R0 (1 + a  + b  2 + c  3 + …) Avec : • 𝜃 la température en °C ; • R0 la résistance à 0 °C ; • a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal Un montage électronique affiche la température. Figure 2: Montage du thermomètre à résistance (Gatt, 2009). ΔV = 𝛾. V. ΔT V en m3 T en K 𝛾 en K-1 11

Thermomètre à dilatation

Thermomètre à liquide (mercure ou alcool par exemple), à gaz ou à solide. Plage d’utilisation : −250 ◦C à 1000 ◦C.  Liquide La mesure de la température s’effectue par la mesure de la dilatation d’un liquide sous l’effet de la chaleur. La dilatation est réversible. Le thermomètre est constitué d’un réservoir en verre surmonté d’un capillaire de faible diamètre se terminant par une ampoule de sécurité (en cas de dépassement de la valeur de température maximum de la plage de température). Le réservoir est rempli d’un liquide, la finesse du capillaire permet d’apprécier un fort déplacement avec une faible variation de volume. L’autre extrémité du tube contient un gaz inerte type Azote ou Argon sous une pression inférieure à celle de l’atmosphère. L’échelle thermométrique gravée sur le verre permet d’apprécier la température en comparant le niveau de liquide à la graduation correspondante. Figure 3 : Thermomètre à dilatation d’un liquide. (Stevens, 2014)  Gaz Les premières expériences ont été réalisées par Mariotte en France et Boyle en Angleterre au 17ème siècle. Il utilise le principe d’un gaz parfait : PV = n RT Un gaz enfermé dans un volume fixe ne pourra se dilater avec la température. La pression augmentera donc avec la température et déformera une membrane située à l’extrémité d’un capillaire. Cette déformation est mesurée et indiquera une température sur une échelle graduée P= n RT/V (R/V constant). n : nombre de mole R = 8,31 J.mol-1 .K-1 T : température en K P : Pression en Pa 12 Figure 4 : Thermomètre à gaz. (Wiegand, 2016)  Solide Dans ce type d’appareil, on utilise la dilatation linéaire d’une barre solide (ou une tige métallique) Exemple : bilame Le bilame est constitué de deux bandes d’alliage dont les coefficients de dilatation sont très différents, soudées à plat sur toute leur surface. Lorsqu’une telle bande est soumise à une variation de température, les dilatations différentes des deux faces provoquent des tensions, il en résulte une incurvation de l’ensemble. La soudure des deux constituants doit être suffisamment intime pour que la zone de jonction soit mécaniquement aussi résistante que chacune des deux lames. Figure 5 : Bilame. (Gatt, 2009)