Principe zéro de la thermodynamique

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Le principe zéro de la thermodynamique permet de définir en thermodynamique la notion de température, en tant que grandeur repérable. La thermométrie est du ressort de ce principe zéro.

L'étude du gaz réel aux basses pressions permettra (via la loi d'Avogadro) de donner à la température absolue T le statut de grandeur mesurable, qui se finalisera avec le deuxième principe de la thermodynamique et la variable d'état d'équilibre entropie. En fait le "principe zéro" se déduit alors du deuxième principe et ne jouit en fait que du statut éphémère d'introduction à la notion de température repérable.

La température comme grandeur repérable[modifier | modifier le code]

Comme l'indique l'article température, la perception de chaud et froid est troublée par la notion d'effusivité thermique et celle de mémoire hystérésis.

  1. Comme usuellement en physique, on progresse en formulant une définition qui s'appuie sur une observation expérimentale élevée au rang de principe, et qui ne conduit pas à une contradiction interne.
    Ici, l'observation est l'existence d'états d'équilibre par contact thermique : deux systèmes S_1 et S_2 sont mis en contact thermique si l'on permet le transfert d'énergie, entre les deux. Au bout d'un certain temps (dit de relaxation thermique), on constate que rien n'évolue plus : on dit que les deux systèmes sont en état d'équilibre (thermique).
    Dans l'ensemble de tous les systèmes thermodynamiques, la relation « être en équilibre thermique avec » est alors une relation d'équivalence. En effet, on constate bien expérimentalement que les trois propriétés qui définissent une relation d'équivalence sont vérifiées :
    • S_1 reste en équilibre : la relation est réflexive.
    • Si S_1 est en équilibre thermique avec S_2, alors S_2 est en équilibre thermique avec S_1 et réciproquement : la relation est symétrique.
    • Enfin elle est transitive : si S_1 est en équilibre avec S_2 et S_2 en équilibre avec S_3, alors portons S_1 en contact thermique avec S_3 : l'équilibre est déjà réalisé. On dit que S_1, S_2 et S_3 sont dans la même "classe d'équivalence", celle de systèmes ayant même température.
      En élevant cette loi expérimentale au rang de Principe zéro, on peut définir une grandeur dite « température empirique » en numérotant les classes d'équivalence, c'est-à-dire en associant à chacune une valeur.
  2. La température est une grandeur physique repérable : on peut dire que S_1 a une température T_1 supérieure à celle, T_2, du système S_2 si le transfert d'énergie a lieu de S_1 vers S_2. Qui plus est, l'ensemble des états d'équilibres satisfait cette "relation d'ordre total" : cela permet de classer les classes d'équivalence par le nombre réel ordonné température plus ou moins élevée.
  3. Toute grandeur G dont la mesure g (munie d'une unité), variant de manière monotone avec la température ci-dessus définie, s'appelle une grandeur thermométrique et permet de définir un thermomètre.
    Un exemple : on constate à pression constante faible que tous les gaz ont leur volume qui augmente avec la température. Chaque gaz permet ainsi de définir une température repérable : la thermométrie est née.

Étude ultérieure de la température T[modifier | modifier le code]

L'étude ultérieure par Charles et Gay-Lussac des gaz, puis la loi d'Avogadro (1811) conduira au XVIIIe à la notion de température absolue T du gaz parfait et un grand pas sera fait par Clausius en 1865, qui liera entropie S et température dite thermodynamique. Enfin Boltzmann donnera la compréhension fine de la variable d'état d'équilibre S.