Tutoriels de physique de base

Article sur les thermomètres et les échelles de température

1. Thermomètres

L'instrument conçu pour mesurer la température est un thermomètre. Il existe de nombreux types de thermomètres, mais leur principe de fonctionnement est le même. On utilise généralement des objets thermométriques, c'est-à-dire des substances dont les propriétés varient avec la température. Si la température d'un objet change, sa forme et sa taille changent également. La plupart des thermomètres utilisent des objets qui se dilatent ou se contractent en fonction de la température. Les thermomètres les plus courants sont constitués de tubes de verre contenant de l'alcool ou du mercure. Lorsque la température augmente, l'alcool ou le mercure se dilate, ce qui augmente la longueur de la colonne d'alcool ou de mercure. Inversement, lorsque la température diminue, la longueur de la colonne diminue. À l'extérieur du tube de verre, des graduations constituent l'échelle du thermomètre. Le chiffre indiqué par l'extrémité supérieure de la colonne d'alcool ou de mercure correspond à la température de l'objet mesuré.

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Article sur la loi zéro de la thermodynamique

Jusqu'à présent, nous n'avons observé que l'équilibre thermique de deux objets en contact.

Pour mieux comprendre le concept d'équilibre thermique, prenons l'exemple de trois objets (A, B et C). Par exemple, B et C ne se touchent pas, tandis que A est en contact avec B et avec C. Observons l'image ci-dessous. Puisque les objets A et B sont en équilibre thermique, A et C le sont également. Les objets B et C, qui ne se touchent pas, sont-ils aussi en équilibre thermique ? Logiquement, on pourrait dire que B et C le sont aussi, même s'ils ne sont pas en contact. A et B sont en équilibre thermique, ce qui signifie que la température de A est égale à celle de B.

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Article sur la définition de la température et de l'équilibre thermique

Définition de la température

Avez-vous déjà touché de la glace ? Que ressentez-vous lorsque vos mains touchent de la glace ? Et si vous touchiez du feu ? Au contact de la glace, vos mains sont froides ; au contact du feu, elles sont chaudes. Chaud, tiède, frais, froid : à quoi correspondent ces états ?

La notion de température trouve son origine dans la sensation de chaud et de froid que nous percevons par le toucher. Selon cette sensation, nous disons qu'un objet est plus chaud ou plus froid qu'un autre. Les objets chauds ont une température plus élevée, tandis que les objets froids ont une température plus basse. Plus un objet est froid, plus sa température est basse. Inversement, plus un objet est chaud, plus sa température est élevée. La mesure de la chaleur ou du froid d'un objet est appelée température. En étudiant la théorie cinétique des gaz, vous comprendrez plus en détail la définition de la température : ce qui se passe au niveau des molécules d'un objet pour qu'il soit perçu comme chaud, tiède, frais ou froid.

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Article sur les phases de la matière (basé sur les propriétés microscopiques)

Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons fréquemment trois états de la matière : les solides (pierres, fer, etc.), les liquides (eau, essence, etc.) et les gaz (air, etc.). On peut distinguer ces trois états selon leur capacité à conserver leur forme et leur taille.

Les solides conservent généralement une forme et un volume fixes. Les liquides, quant à eux, ne conservent pas de forme propre, mais s'adaptent au récipient qui les contient. Par exemple, si l'on verse de l'eau dans un verre, sa forme se modifie. De même, si l'on verse de l'eau dans une baignoire, sa forme se modifie. Le volume d'un liquide est généralement toujours constant. Si l'on place un verre d'eau dans une baignoire, la quantité d'eau reste la même. La forme de l'eau peut changer, mais son volume ne varie jamais. Il est important de noter que le nombre de particules solides et liquides peut varier sous l'effet d'une force suffisante.

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Article sur la théorie atomique et la théorie cinétique

Théorie atomique

Pendant des millénaires, les Grecs anciens ont cru que toute substance pure (comme l'or, le fer, etc.) était constituée d'atomes. Selon eux, si l'on découpait une substance pure en petits morceaux, puis que l'on recoupait ces morceaux en fragments encore plus petits, et ainsi de suite, jusqu'à obtenir des particules indivisibles. Ces particules indivisibles étaient appelées atomes. Le mot « atome » signifie « indivisible » (en grec).

À cette époque, on considérait que l'atome était indivisible. Mais plus tard, des scientifiques ont découvert les électrons et les noyaux atomiques (protons et neutrons), invalidant ainsi l'hypothèse selon laquelle les atomes étaient indivisibles. Les atomes sont donc constitués d'électrons (chargés négativement) et d'un noyau atomique. Les électrons gravitent autour du noyau. À l'intérieur du noyau se trouvent des protons (chargés positivement) et des neutrons (neutres).

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Article sur les changements de phase, la température critique et le point triple.

Dans la discussion sur la loi des gaz parfaits, il a été expliqué que cette loi décrit avec précision le comportement d'un gaz réel uniquement lorsque sa pression et sa densité ne sont pas trop élevées. Si la pression et la densité du gaz réel sont suffisamment importantes, la loi des gaz parfaits donne des résultats inexacts, de même que lorsque la température du gaz réel approche son point d'ébullition. Ceci est lié aux interactions qui se produisent entre les molécules d'un gaz réel. La pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume. Lorsque la pression est suffisamment élevée, le volume du gaz diminue. De ce fait, la distance entre les molécules diminue. Lorsque les molécules sont proches, elles s'attirent mutuellement. C'est un peu comme lorsqu'on approche un morceau de fer d'un aimant : si la distance entre l'aimant et le fer est suffisamment grande, l'aimant ne peut pas attirer le fer ; mais si la distance entre l'aimant et le fer est faible, le fer est attiré.

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Van der Waals est le nom du physicien néerlandais J.D. van der Waals (1837-1923). L'équation d'état de Van der Waals est une équation d'état des gaz, similaire à celle des gaz parfaits. La différence réside dans le fait que l'équation d'état des gaz parfaits ne peut fournir de résultats précis lorsque la pression et la densité du gaz réel sont suffisamment élevées, contrairement à l'équation d'état de Van der Waals qui permet d'obtenir des résultats beaucoup plus précis.

L'existence de cette équation trouve son origine dans les travaux de Van der Waals, qui a mis en évidence les limites de l'équation d'état d'un gaz idéal. Waals a modifié cette équation en y intégrant plusieurs facteurs qui influencent également le comportement d'un gaz réel, notamment lorsque sa pression et sa densité sont élevées.

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Le processus d'évaporation s'explique par la théorie cinétique. À l'instar des molécules de gaz, les molécules d'eau sont en mouvement. La différence réside dans le fait que les molécules d'eau ne peuvent se disperser car l'attraction intermoléculaire les maintient liées. En revanche, l'attraction entre les molécules de gaz est faible, empêchant ainsi leur fusion. Lors de leur déplacement, les molécules d'eau possèdent une vitesse. Certaines molécules d'eau se déplacent à grande vitesse, tandis que d'autres ont une vitesse plus faible. La distribution des vitesses des molécules d'eau suit une loi de Maxwell.

L'évaporation se produit lorsque la vitesse des molécules d'eau est suffisamment élevée pour que l'attraction intermoléculaire ne suffise plus à les maintenir ensemble. De même, pour les fusées qui s'élancent dans l'espace, la vitesse d'une fusée est telle que la force gravitationnelle terrestre ne peut plus la retenir sur Terre. Seules les molécules se déplaçant à grande vitesse peuvent échapper à l'attraction intermoléculaire. Les molécules à faible vitesse restent liées, à l'instar des molécules d'eau.

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L'ébullition est le processus de transformation d'un liquide en gaz. Elle se produit lorsque la pression de vapeur saturante est égale à la pression atmosphérique. Nous nous concentrerons ici sur l'ébullition de l'eau. La pression de vapeur saturante de l'eau est directement proportionnelle à sa température : plus la température est élevée, plus la pression de vapeur saturante est importante. Lorsqu'on chauffe de l'eau, de petites bulles se forment généralement au fond du récipient. La présence de ces bulles indique le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Si la pression de vapeur saturante à l'intérieur d'une bulle est inférieure à la pression atmosphérique, la bulle se contracte et éclate avant d'atteindre la surface. Les bulles éclatent car la force de poussée de l'air extérieur est supérieure à celle de la vapeur d'eau à l'intérieur de la bulle. La pression atmosphérique étant plus élevée que la pression de vapeur dans la bulle, l'air extérieur exerce une force prépondérante (P = F / A).

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L'humidité désigne la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air. Lorsqu'il pleut, l'atmosphère est très humide car l'air contient beaucoup de vapeur d'eau. À l'inverse, si la quantité de vapeur d'eau dans l'air est très faible, l'air est sec. La quantité de vapeur d'eau dans l'air est exprimée par l'humidité relative.

L'humidité relative est le rapport entre la pression partielle de la vapeur d'eau et la pression de la vapeur d'eau saturée à une température donnée (la vapeur d'eau est de la vapeur d'eau). L'humidité relative est exprimée en pourcentage et se formule mathématiquement comme suit :

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