32 degrés de séparation

thermostatQuiconque a déjà essayé de faire des cookies en suivant une recette américaine le sait: la non-universalité des unités de mesure est un cauchemar. Les onces liquides et solides, passe encore: un bon verre doseur peut faire l’affaire [1].  Mais bien sûr, au moment de préchauffer le four, impossible d’échapper au bonheur de devoir convertir les degrés Fahrenheit en degrés Celsius. Alors voyons, est-ce que c’est moins 32 et fois 1,8… ou bien divisé par 1,8 puis plus 32… ? Et qu’est-ce qui nous vaut pareil sac de nœuds ?

D’ailleurs en y réfléchissant, qu’est-ce, au fond, que la température ? Pas si facile de s’en faire une idée, sinon indirectement, par ses effets visibles… La sensation, « c’est chaud/froid », simple en apparence, ne suffit pas à la définir correctement [2]. Aujourd’hui, on sait que la température est une mesure de l’énergie d’agitation des particules élémentaires de la matière (atomes ou molécules). Mais au XVIIIe siècle (et encore aujourd’hui dans la vie courante) ce n’est évidemment pas ça qu’on mesure [3].

Comment thermométrer ?

Ce qu’on observe plus facilement que la température, c’est la chaleur, c’est-à-dire le transfert d’énergie d’un milieu chaud vers un milieu froid [4]. Ou bien un changement d’état (l’eau gèle ou bout), mais il n’y en a pas tant que ça ! Mieux: une conséquence directe de l’augmentation de température est la dilatation des corps. Un gaz chaud s’élève parce qu’il est moins dense qu’un gaz froid; un morceau de métal chauffé gonfle. Dès le XVIIe siècle, quelques savants italiens ont donc eu l’idée d’utiliser l’expansion d’un liquide comme étalon de température: stocké dans un petit réservoir, le liquide monte dans un petit tube quand la température augmente. Les premiers thermomètres sont nés ! Pour définir une échelle de température, il ne reste qu’à fixer deux points de référence, et un intervalle… et c’est là que commencent les désaccords.

L’eau et le sang

Au début du XVIIIe siècle, l’Allemand Gabriel Fahrenheit, installé à La Haye, se spécialise dans la fabrication d’instruments météorologiques en verre: baromètres et thermomètres. Comme ses prédécesseurs il commence par utiliser de l’alcool, mais il innove rapidement en se tournant vers le mercure. Il lui faut 2 points de référence: le point 0°F sera la température la plus froide atteinte lors du rude hiver 1708-09 dans sa ville natale de Dantzig. Son point le plus haut est la température du sang d’un cheval. Il divise cet intervalle en 12 degrés. Mais ce n’est pas très précis: pour finir il divise chacun de ces « super-degrés » en 8. Le point le plus chaud, le sang de cheval, définit donc la température 96°F. Bref, non seulement l’échelle de Fahrenheit n’est pas basée sur des grandeurs très physiques, mais en plus elle n’est, initialement, pas décimale.

À peu près à la même époque, Anders Celsius est astronome à Uppsala, en Suède. En plus des catalogues d’étoiles et des mesures géodésiques (il a notamment mené l’expédition jumelle de celle du Pérou), lui incombent les observations météorologiques. Il conçoit donc lui aussi un thermomètre, en prenant des points de repères plus physiques: la température de fusion de la glace, et la température d’ébullition de l’eau (à pression atmosphérique normale). Pour ne pas avoir à manipuler des nombres négatifs pour ses observations quotidiennes, son échelle va de haut en bas (l’eau gèle donc à 100 degrés). Il meurt de la tuberculose à seulement 43 ans, et son échelle sera ensuite inversée: autour de 1745 les thermomètres à mercure de Christin à Lyon, et de Linné en Suède, vont de 0°C pour la glace fondante à 100°C pour l’eau bouillante: les degrés Celsius sont nés. Certes l’échelle de Fahrenheit est plus précise, et pratique pour la météo: les températures ambiantes sont quasiment toutes comprises entre 0°F et 100°F. Mais celle de Celsius, basée sur les propriétés physiques de l’eau, est plus séduisante, et va s’imposer peu à peu, sinon chez monsieur-tout-le-monde,  du moins dans la communauté scientifique.

Vers le zéro absolu

Dans la première moitié du XIXe siècle, la « science de la chaleur », que la mécanique newtonienne ne permettait pas d’appréhender, fait des progrès fulgurants: le développement des premières machines à vapeur pose de nouvelles questions théoriques. Les Français Fourier, Carnot et Clapeyron, l’Allemand Clausius, l’Anglais Joule développent une physique nouvelle autour des échanges thermiques. Le second principe de cette toute jeune thermodynamique est progressivement formulé à partir des travaux de Sadi Carnot sur les moteurs thermiques (c’est-à-dire la conversion d’un échange de chaleur en énergie mécanique), et il permet à présent de donner une définition plus précise à la température. Gay-Lussac redécouvre aussi une observation déjà faite par Amontons et Charles: à une pression donnée, le volume pris par un gaz augmente linéairement avec la température. Mais alors… il doit exister une température à laquelle ce volume est égal à zéro ! on peut ainsi définir une vraie température nulle: c’est le zéro absolu.  En 1848, William Thomson (bientôt fait Lord Kelvin) publie l’article Sur une échelle thermométrique absolue, et en mesurant le coefficient d’expansion des gaz, le positionne à -273 °C.

À présent la température est une grandeur bien définie et plus seulement « repérée » comme une longueur sur un tube de mercure. Le nom de Kelvin est attribué à l’unité de mesure des « vraies » températures, mais en préservant l’écart de 100 K entre glace fondante et eau bouillante: ainsi pour passer des kelvins aux degrés Celsius, il n’y a qu’à ajouter 273,15. L’échelle de Celsius peut donc rester en usage au quotidien, même si ses points de référence ont changé: les changements d’état de l’eau étant trop dépendants de la pression atmosphérique, elle est fixée depuis 1954 par le zéro absolu et par le point triple de l’eau [5].

La diversité dans l’unité

gateauAvec l’expansion du système métrique puis des unités du Système International, y compris à la plupart des pays du Commonwealth dans les années 60, le territoire de l’échelle de Fahrenheit se trouve fortement réduit: aujourd’hui seuls 4 états l’utilisent encore officiellement: les États-Unis, Bélize, Palau et les Bahamas. Mais notons quand même que les choses auraient pu être encore plus embrouillées: les échelles de Newton, Rømer, Réaumur, Delisle et Rankine, toutes définies entre le XVIIIe et le XIXe siècle, sont heureusement tombées en désuétude !


Aller plus loin

Si quelqu’un vous montre que votre théorie de l’univers préférée est en désaccord avec les équations de MaxwellI — alors tant pis pour les équations de Maxwell. Si elle s’avère contredite par les observations — eh bien, ce doit être parce que les expérimentateurs ont bâclé leur travail. Mais si votre théorie se trouve en contradiction avec le second principe, il n’y a aucun espoir: votre théorie est vouée à s’effondrer avec humiliation.

  • Il fait aussi partie des énoncés scientifiques les plus souvent invoqués à tort et à travers, en particulier lorsqu’il est exprimé en termes d’entropie ou de mouvement perpétuel. Mais il inspire souvent la culture populaire, comme les Simpson ou le groupe Muse.

[1] Attention toutefois à une subtilité supplémentaire: il y a des onces américaines, et des onces impériales (britanniques) !
[2] Prenez un appartement chauffé à 20°C. Que le sol soit en carrelage ou en parquet, il est à la température de l’air: 20°C. Et pourtant l’un et l’autre, au contact de la peau, ne donnent pas la même sensation « de froid » ! En posant le pied au sol, la sensation dépend non seulement de sa température mais aussi de l’effusivité thermique du matériau.

[3] On ne connaît d’ailleurs même pas l’existence des atomes.
[4] La langue française, malheureusement, confond allègrement ces deux notions fort différentes: on ne devrait pas dire « quelle chaleur ! » pour dire que la température est élevée. Et quand on dit « l’eau est trop froide », on veut en fait signifier: « mon corps est obligé de céder à l’océan un flux d’énergie trop important ».
[5] 0,01°C: c’est la seule température à laquelle on peut trouver l’eau sous toutes ses formes — liquide, solide, gazeuse.

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