« Ferme la porte, tu fais entrer le froid ! » Pour un physicien, cette phrase culte des parents en hiver est prise à l'envers : le froid n'est pas un truc qui se déplace, c'est la chaleur qui file dehors. Et ce n'est que le début du malentendu : chaleur et température sont deux choses différentes. On démêle tout ça, glaçon en main.
La température, ou le niveau de bougeotte des atomes
Zoome très fort sur n'importe quel objet, même ta trousse : ses atomes ne tiennent jamais en place. Dans un solide, ils vibrent sur place, comme une classe la veille des vacances ; dans un liquide ou un gaz, ils filent dans tous les sens et se cognent sans arrêt. La température mesure l'intensité de cette agitation thermique : plus ça s'agite, plus c'est chaud. Pour voir des molécules de gaz s'affoler quand on chauffe, ouvre l'animation du gaz parfait.
Les physiciens préfèrent une échelle qui part du vrai bas : le kelvin. Son zéro, le zéro absolu, vaut −273,15 °C : l'agitation y serait minimale, et on ne peut ni descendre plus bas, ni même l'atteindre. Et on dit « 300 kelvins », jamais « 300 degrés Kelvin » : ton prof te remerciera.
La chaleur, de l'énergie qui déménage
La chaleur, que les physiciens appellent transfert thermique, n'est pas un état : c'est de l'énergie, mesurée en joules, qui passe d'un objet à un autre parce qu'ils n'ont pas la même température. Elle va toujours, spontanément, du chaud vers le froid, jusqu'à ce que les températures s'égalisent. À l'échelle des atomes, c'est du billard : les particules agitées du corps chaud bousculent les particules calmes du corps froid et leur refilent un peu de leur énergie.
Un objet ne « contient » donc pas de chaleur, pas plus qu'un compte en banque ne « contient » des virements. Il possède une énergie interne (le solde) ; la chaleur, c'est le virement. Plus l'écart de température est grand, plus l'énergie file vite : ton chocolat chaud perd ses premiers degrés à toute allure, puis refroidit de plus en plus lentement (voir l'animation du refroidissement).
Sauna à 90 °C, étincelles à 1 000 °C : la température ne dit pas tout
Dans un sauna finlandais, l'air est souvent entre 80 et 100 °C, et l'on y reste assis plusieurs minutes, en transpirant mais sans se brûler. De l'eau à cette température brûlerait gravement en moins d'une seconde ! La raison : l'air est très peu dense. Ses molécules, même très agitées, sont trop peu nombreuses pour livrer beaucoup d'énergie à ta peau, alors que l'eau, environ mille fois plus dense, en déverse à toute vitesse.
Plus fort : une étincelle de cierge magique, minuscule grain de métal à plus de 1 000 °C, ne transporte que quelques millièmes de joule. Une baignoire d'eau à 37 °C peut en céder environ 10 millions en refroidissant jusqu'à 20 °C : des milliards de fois plus ! La température dit à quel point ça s'agite ; l'énergie dépend aussi de la quantité de matière.
Pourquoi le métal te ment
Dans une pièce à 20 °C, pose une main sur un pied de chaise en métal et l'autre sur une table en bois. Le métal paraît glacé, le bois presque tiède. Pourtant, les deux sont à la température de la pièce. Ta main est un thermomètre menteur : elle ressent surtout la vitesse à laquelle elle perd de l'énergie. Or l'aluminium conduit la chaleur plus de mille fois mieux que le bois : il aspire l'énergie de ta peau, alors que le bois, isolant, la laisse presque tranquille. C'est pour ça que les bancs de sauna sont en bois ! Pour la voir se faufiler : l'animation de la conduction thermique.
Pour voyager, la chaleur a trois chemins, réunis dans une casserole : la conduction, de proche en proche, comme dans le manche ; la convection, quand un fluide en mouvement emporte l'énergie, comme l'eau qui tourne en rouleaux ; et le rayonnement, de la lumière (surtout infrarouge) qui traverse même le vide, comme celle du Soleil.
La facture de la bouilloire
Pour chauffer un solide ou un liquide sans changer son état, l'énergie à fournir dépend de la masse, de l'écart de température et d'un nombre propre au matériau, sa capacité thermique massique c :
Q = m × c × ΔT
Pour l'eau, c vaut environ 4 185 joules par kilogramme et par degré : une vraie éponge à énergie. Chauffer 1 L d'eau de 20 à 100 °C demande donc environ 335 000 J, un peu moins de 3 minutes pour une bouilloire de 2 000 W, en théorie.
Et le meilleur arrive à 100 °C. Continue de chauffer : l'eau bout… et sa température ne bouge plus d'un poil tant qu'il reste du liquide (à la pression habituelle) ! Toute l'énergie sert à changer l'eau en vapeur : environ 2,3 millions de joules par kilogramme, près de sept fois plus que pour la chauffer de 20 à 100 °C. De la chaleur entre, la température reste plantée : la preuve ultime que ce sont deux choses différentes.
Pour voir ça bouger : l'animation des changements d'état, avec le fameux palier où la température fait du surplace.
Si tu ne retiens qu'une chose
La température dit à quel point les atomes s'agitent ; la chaleur, c'est de l'énergie qui déménage, toujours du chaud vers le froid. Le froid, lui, n'est qu'un manque d'agitation.
Pour aller plus loin
- Transfert thermique (Wikipédia)
- Le kelvin, unité SI de température (Bureau international des poids et mesures)
- The Thermosphere (NASA Space Place, en anglais)
- Ressources de physique-chimie de Terminale (chapitres « Énergie interne, premier principe » et « Transferts thermiques »), de physique-chimie BAC+1 (thermodynamique) et le cours de transferts thermiques (BAC+3).
Soufiane ISMAILI ALAOUI — ingénieur diplômé de l'INSA Lyon, passé par les classes préparatoires MP, professeur de mathématiques et de physique-chimie. Il donne des cours particuliers à domicile en Île-de-France et en ligne. Découvrir son parcours
