Karamö, le prof virtuelLeçon 1 sur 17
La température
Je sais ce qu'est la température, comment la mesurer avec un thermomètre et comment passer des degrés Celsius aux kelvins.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Distinguer la sensation de chaud ou de froid et la température mesurée
- Décrire un thermomètre et l'utiliser correctement
- Connaître les points fixes de l'échelle Celsius
- Convertir une température de degrés Celsius en kelvins et inversement
Avant de commencer : La notion de chaleur et les changements d'état de l'eau (programme de 7e).
1Je découvre
Un matin de décembre, pendant l'harmattan, Aïssatou se lève à Labé. Elle pose la main droite sur la table en bois de la cuisine, puis la main gauche sur la marmite en aluminium posée à côté. « La marmite est plus froide que la table ! » dit-elle. Pourtant, les deux objets sont dans la même pièce depuis toute la nuit.
Son frère Ibrahima fait une autre expérience. Il plonge une main dans une bassine d'eau tiède et l'autre dans une bassine d'eau froide, puis, après une minute, il met les deux mains dans une troisième bassine d'eau à peine fraîche. La main qui sortait de l'eau froide trouve l'eau « chaude » ; l'autre main la trouve « froide ». La même eau, deux sensations opposées !
Nos mains ne sont donc pas des instruments de mesure fiables. Alors, qu'est-ce que la température exactement, et comment la mesurer de façon sûre ?
2Je comprends
1. La sensation n'est pas une mesure
Le toucher nous renseigne sur le chaud et le froid, mais il se trompe souvent :
- il dépend de l'état de notre main juste avant (expérience d'Ibrahima) ;
- il dépend de la matière touchée : le métal « paraît » plus froid que le bois à la même température, parce qu'il enlève plus vite la chaleur de la main (tu l'étudieras dans la leçon sur la propagation de la chaleur).
La table et la marmite d'Aïssatou sont en réalité à la même température, celle de la pièce. Pour savoir si un corps est plus ou moins chaud, il faut un instrument : le thermomètre.
2. Qu'est-ce que la température ?
La température est une grandeur physique qui indique l'état plus ou moins chaud ou froid d'un corps. On la note souvent θ (lettre grecque « thêta ») quand elle est en degrés Celsius, et T quand elle est en kelvins.
Il ne faut pas la confondre avec la chaleur. La chaleur est une énergie qui passe d'un corps chaud vers un corps plus froid ; la température est l'indicateur de cet état. Quand deux corps en contact ont la même température, les échanges de chaleur s'arrêtent : on dit qu'ils sont en équilibre thermique.
C'est grâce à cet équilibre que le thermomètre fonctionne : on le met en contact avec le corps, on attend qu'il prenne la même température, puis on lit.
3. Le thermomètre à liquide
Le thermomètre le plus courant au collège est le thermomètre à liquide. Il comprend :
- un réservoir (une petite boule de verre) rempli de liquide ;
- un tube capillaire très fin, soudé au réservoir ;
- une graduation placée le long du tube.
Le liquide utilisé est souvent de l'alcool coloré (en rouge ou en bleu pour être bien visible). Autrefois, on utilisait beaucoup le mercure, mais il est toxique : un thermomètre à mercure cassé est dangereux.
Principe : quand la température augmente, le liquide se dilate (son volume augmente) et monte dans le tube ; quand elle baisse, il se contracte et descend. Le tube étant très fin, une petite variation de volume donne un déplacement bien visible.
Il existe d'autres thermomètres :
| Thermomètre | Principe | Usage |
|---|---|---|
| À alcool coloré | dilatation d'un liquide | salle de classe, air ambiant |
| Médical | dilatation d'un liquide, gradué de 35 à 42 °C environ | température du corps |
| Électronique | capteur électrique, affichage numérique | maison, dispensaire |
| À bilame | deux métaux qui se dilatent différemment | fours, fers à repasser |
La température normale du corps humain est d'environ 37 °C. Au-delà de 38 °C, on parle de fièvre, ce qui arrive par exemple avec le paludisme.
4. L'échelle Celsius et ses points fixes
Pour graduer un thermomètre, il faut deux repères faciles à reproduire, appelés points fixes :
- 0 °C : la température de la glace fondante (mélange d'eau et de glace) ;
- 100 °C : la température de l'eau pure qui bout sous la pression atmosphérique normale.
On divise l'intervalle entre ces deux repères en 100 parts égales : chaque part vaut 1 degré Celsius (1 °C). On prolonge ensuite les graduations au-dessus de 100 et au-dessous de 0 : les températures au-dessous de 0 °C sont négatives (par exemple -5 °C dans un congélateur).
- 1Plonger le réservoir dans la glace fondante et marquer 0 au niveau du liquide.
- 2Plonger le réservoir dans la vapeur d'eau bouillante et marquer 100.
- 3Partager l'espace entre 0 et 100 en 100 parts égales : chaque part vaut 1 °C.
- 4Prolonger les graduations au-dessus de 100 et au-dessous de 0.
5. Lire correctement un thermomètre
Méthode
Pour mesurer une température avec un thermomètre à liquide :
- Je choisis un thermomètre dont la graduation contient la température à mesurer.
- Je plonge entièrement le réservoir dans le corps à étudier, sans toucher le fond ni les parois du récipient.
- J'attends que le niveau du liquide ne bouge plus (équilibre thermique).
- Je lis en plaçant mon œil en face du haut de la colonne de liquide, sans sortir le thermomètre.
- J'écris le résultat avec son unité : par exemple θ = 28 °C.
Exemple
Sur un thermomètre, il y a 5 petites graduations entre 20 °C et 30 °C. Le liquide s'arrête à la 3e petite graduation au-dessus de 20. Quelle est la température ?
Entre 20 et 30, il y a 10 °C partagés en 5 intervalles : chaque intervalle vaut 10 ÷ 5 = 2 °C.
Le liquide est 3 intervalles au-dessus de 20 : θ = 20 + 3 × 2 = 26 °C.
6. L'échelle Kelvin
Les physiciens utilisent aussi l'échelle Kelvin, dont l'unité est le kelvin (K) ; c'est l'unité de température du Système international. Son zéro, le zéro absolu (0 K), est la température la plus basse qui puisse exister ; il correspond à environ -273 °C.
Un écart de 1 K est égal à un écart de 1 °C. Pour passer d'une échelle à l'autre, on utilise :
T = θ + 273 (avec T en K et θ en °C), donc θ = T - 273.
(La valeur précise est 273,15 ; au collège on arrondit à 273.) On écrit « 300 K » et non « 300 °K ».
Exemple
a) La température de l'eau qui bout vaut 100 °C. Exprime-la en kelvins.
T = 100 + 273 = 373 K.
b) Un gaz est à 250 K. Quelle est sa température en degrés Celsius ?
θ = 250 − 273 = −23 °C.
7. Retour à Labé
La table et la marmite sont à la même température : un thermomètre posé contre chacune indiquerait la même valeur. La marmite paraît plus froide parce que l'aluminium prend plus vite la chaleur de la main. Le thermomètre, lui, ne se laisse pas tromper.
3Je retiens
Je retiens
La température indique l'état chaud ou froid d'un corps ; la chaleur est l'énergie qui passe du corps chaud au corps froid.
On mesure la température avec un thermomètre, après avoir attendu l'équilibre thermique.
Le thermomètre à liquide fonctionne grâce à la dilatation du liquide dans un tube fin.
Échelle Celsius : 0 °C = glace fondante ; 100 °C = eau pure qui bout (pression normale).
Échelle Kelvin : T (K) = θ (°C) + 273 ; 0 K est le zéro absolu (environ −273 °C).
Température normale du corps humain : environ 37 °C.
4Erreurs fréquentes
- Confondre chaleur et température : la chaleur est une énergie (en joules), la température se mesure en °C ou en K.
- Lire le thermomètre trop vite ou après l'avoir sorti du liquide : il faut attendre que le niveau soit stable et lire sur place.
- Oublier le signe moins : 8 degrés au-dessous de zéro s'écrit −8 °C.
- Écrire « °K » ou soustraire 273 dans le mauvais sens : pour aller vers les kelvins, on ajoute 273.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète les phrases.
a) L'instrument qui mesure la température s'appelle le ……… .
b) La glace fondante est à ……… °C et l'eau pure bout à ……… °C sous la pression normale.
c) L'unité de température du Système international est le ……… .
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a) L'instrument qui mesure la température s'appelle le thermomètre.
b) La glace fondante est à 0 °C et l'eau pure bout à 100 °C sous la pression normale.
c) L'unité de température du Système international est le kelvin (K).
2Exercice 2
Convertis.
a) 25 °C en kelvins ; b) −40 °C en kelvins ; c) 310 K en degrés Celsius ; d) 200 K en degrés Celsius.
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On utilise T = θ + 273 et θ = T - 273.
a) T = 25 + 273 = 298 K.
b) T = -40 + 273 = 233 K.
c) θ = 310 - 273 = 37 °C (c'est la température du corps humain).
d) θ = 200 - 273 = -73 °C.
3Exercice 3
Sur un thermomètre, il y a 10 petites graduations entre 30 °C et 40 °C. Le liquide s'arrête 7 graduations au-dessus de 30 °C. Quelle est la température ? Ce thermomètre peut-il servir de thermomètre médical ? Justifie.
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Entre 30 °C et 40 °C il y a 10 °C pour 10 intervalles : chaque intervalle vaut 1 °C. La température est θ = 30 + 7 × 1 = 37 °C.
Un thermomètre médical doit mesurer entre environ 35 °C et 42 °C avec précision. Ce thermomètre peut convenir s'il est gradué au moins dans cet intervalle, mais sa précision (1 °C) est faible : un thermomètre médical est en général gradué au dixième de degré (0,1 °C), ce qui permet de distinguer 37,2 °C de 37,8 °C.
4Exercice 4
Mamadou mesure la température de l'eau d'un canari à 9 h puis à 15 h : il trouve 24 °C puis 31 °C.
a) Calcule l'augmentation de température en °C.
b) Exprime les deux températures en kelvins et calcule l'augmentation en K. Que remarques-tu ?
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a) Augmentation : 31 - 24 = 7 °C.
b) T1 = 24 + 273 = 297 K et T2 = 31 + 273 = 304 K. Augmentation : 304 - 297 = 7 K.
On remarque qu'une variation de 1 °C est égale à une variation de 1 K : l'augmentation est la même (7) dans les deux échelles.
5Exercice 5
(Réflexion) Explique pourquoi l'expérience des trois bassines d'Ibrahima montre qu'on ne peut pas mesurer une température avec la main. Donne ensuite, dans l'ordre, les étapes d'une bonne mesure de la température de l'eau d'une bassine avec un thermomètre.
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La même eau paraît chaude à une main et froide à l'autre : la sensation dépend de l'état de la main juste avant, pas seulement de l'eau. Le toucher n'est donc pas un instrument de mesure fiable.
Bonne mesure : 1) choisir un thermomètre adapté ; 2) plonger entièrement le réservoir dans l'eau sans toucher le fond ni les parois ; 3) attendre que le niveau du liquide soit stable ; 4) lire en plaçant l'œil en face du niveau, sans sortir le thermomètre ; 5) noter la valeur avec l'unité °C.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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