Chaleur et Température : Deux Notions Thermiques Trop Souvent Confondues

Deux notions fondamentales mais distinctes

En physique, la chaleur et la température sont deux concepts liés mais fondamentalement différents.

• La température mesure l’état thermique d’un système : autrement dit, l’agitation moyenne des particules qui le composent.
• La chaleur correspond à un transfert d’énergie thermique entre deux corps ou systèmes en interaction, c'est une énergie en transit.

Température : une grandeur intensive

La température est une mesure physique qui indique le degré de chaleur ou de froid d'un objet, d'une substance ou de l'environnement. Elle est directement liée à l'énergie cinétique moyenne des particules microscopiques (atomes ou molécules) qui composent la matière : plus les particules se déplacent rapidement, plus la température est élevée.

La température est une grandeur intensive : elle ne dépend pas de la taille du système (masse, volume, quantité de matière), elle reste constante si on divise le système en plusieurs parties identiques. Elle est exprimée en kelvins (K) dans le Système international.

Par exemple, dans un gaz parfait, l’énergie cinétique moyenne d’une molécule est proportionnelle à \(\frac{3}{2}kT\), où \(k\) est la constante de Boltzmann et \(T\) la température. Pour une température ambiante de \(T = 300\,\text{K}\), cette énergie vaut : \[ \frac{3}{2}kT = \frac{3}{2} \times 1{,}38 \times 10^{-23}\,\text{J·K}^{-1} \times 300\,\text{K} \approx 6{,}21 \times 10^{-21}\,\text{J} \] C’est une énergie extrêmement faible à l’échelle macroscopique, mais suffisante pour expliquer l’agitation constante des molécules à température ambiante.

Les échelles thermodynamiques : Celsius, Fahrenheit et Kelvin

• Celsius (°C) : 0 °C : point de congélation de l'eau. 100 °C : point d'ébullition de l'eau (à pression atmosphérique normale).
• Fahrenheit (°F) : 32 °F : point de congélation de l'eau. 212 °F : point d'ébullition de l'eau.
• Kelvin (K) : 0 K : zéro absolu (–273,15 °C), température la plus basse possible où l'agitation thermique des particules cesse.

La chaleur : transfert d’énergie thermique

La chaleur est une forme d’énergie en transit entre deux systèmes thermodynamiques. Elle ne désigne pas une propriété intrinsèque d’un corps, mais une quantité d’énergie transférée en raison d’une différence de température. Ce transfert peut se produire par conduction, convection ou rayonnement, et s’interrompt lorsque l’équilibre thermique est atteint. La chaleur est donc une grandeur liée à une interaction, et non à l’état d’un système isolé.

Chaleur : une forme d’énergie en mouvement

Contrairement à la température, la chaleur est une grandeur extensive (elle dépend de la masse et du matériau). Elle s’exprime en joules (J) et ne peut exister que lors d’un échange. Elle peut être transférée par conduction (contacts directs), convection (mouvements de fluide) ou rayonnement (ondes électromagnétiques).

Chaleur spécifique et capacité calorifique

La chaleur spécifique représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température de 1 kg de matériau de 1 kelvin (ou 1 degré Celsius). Pour la chaleur spécifique, la différence entre kelvin et degré Celsius est négligeable, car on considère une variation de température, pas une température absolue.

Plus la chaleur spécifique d'un matériau est élevée, plus il faut d’énergie pour chauffer une masse donnée dudit matériau.

Référence : Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press (2024).

Pourquoi cette réalité n’est pas intuitive ?

• À masse égale, l’hydrogène est plus difficile à chauffer que l’or (car sa chaleur spécifique est plus grande).
• À volume égal, il faut beaucoup plus d’énergie pour chauffer l’or (car sa masse est beaucoup plus grande).

La quantité de chaleur nécessaire pour faire varier la température d’un matériau dépend de sa chaleur spécifique \(\,c\,\) (en J·kg⁻¹·K⁻¹) : \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) où \(Q\) est la chaleur reçue, \(m\) la masse du corps, \(c\) la chaleur spécifique, et \(\Delta T\) la variation de température.

Tableau comparatif entre chaleur et température

Confusion courante dans la vie quotidienne

On dit souvent qu’un objet "contient de la chaleur", alors qu’en rigueur physique, la chaleur n’est pas contenue : elle est échangée entre systèmes. Ce qui caractérise l’état thermique d’un corps, c’est sa température, tandis que l’énergie interne dépend de sa masse, de sa température et de sa nature. Par exemple, un seau d’eau tiède peut avoir une énergie interne totale plus grande qu’un clou chauffé au rouge, bien que sa température soit bien plus basse.

Tableau comparatif : température, masse et chaleur transférée