Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à convertir entre les échelles Celsius et Fahrenheit et l'échelle de Kelvin, et à définir le zéro absolu.
Les échelles de température Celsius et Fahrenheit sont les plus utilisées dans la vie quotidienne. Sur un thermomètre, le point de congélation de l’eau, 0 degré Celsius, correspond à 32 degrés Fahrenheit.
Le point d’ébullition de l’eau, 100 degrés Celsius, correspond à 212 degrés Fahrenheit. Notons que les échelles Fahrenheit et Celsius mesurent la même température avec des échelles numériques différentes.
L’échelle de Kelvin a été introduite par Lord Kelvin comme échelle de température absolue.
La température 0 kelvin est la température absolue la plus basse qu'un objet puisse avoir dans l'univers.
Contrairement à la conversion laborieuse entre les degrés Celsius et Fahrenheit, les variations de température en kelvins et en degrés Celsius coïncident. Cela signifie que chaque augmentation d'une unité en kelvins correspond à l'augmentation d’une unité en degrés Celsius.
Prenons un exemple.
Exemple 1: Convertir les degrés Celsius en kelvins
Une casserole d’eau est chauffée de à . Que vaut l'augmentation de la température de l'eau en kelvins ?
Réponse
Chaque augmentation d'unité en kelvins correspond à une augmentation d'unité en Celsius. La température dans la casserole augmente ainsi.
La variation de température en degrés Celsius est
Donc la température a augmenté de .
Les variations en échelle kelvins et Celsius étant les mêmes, la température de l'eau dans la casserole a augmenté de la même valeur en kelvins (bien qu'on ne dise pas degrés kelvins, ni on n'utilise le symbole des degré).
Ainsi, la température de l’eau dans la casserole a augmenté de 48 kelvins.
Même si les variations de température entre Celsius et kelvin sont les mêmes, il y a toujours des différences. Le tableau ci-dessous montre une comparaison de différentes températures en Celsius, kelvin et Fahrenheit.
| Celsius | |||
|---|---|---|---|
| Kelvin | 373 K | 273 K | 0 K |
| Fahrenheit | 212 °F | 32 °F | |
| Signification physique | Point d’ébullition de l’eau | Point de congélation de l’eau | Zéro absolu |
La différence exacte entre Celsius et kelvin, comme c'est indiqué dans le tableau, est de 273. Ei si nous exprimons cela sous forme d’équation, nous aurons étant la température en kelvins et la température en degrés Celsius.
Regardons quelques exemples de conversion à d'autres températures. Supposons que nous avons une tasse de café tiède à . Afin de trouver sa température en kelvins, il suffit d'ajouter 273 : nous avons ainsi
Et donc la température en kelvins est supérieure de 273, soit 308 K.
Voyons d'autres exemples.
Exemple 2: Convertir les degrés Celsius en kelvins
À combien ça correspond en kelvins ?
Réponse
Nous savons que
Ainsi, en kelvins correspond à 255 K.
Exemple 3: Convertir les kelvins en degrés Celsius
À combien ça correspond 330 K en degrés Celsius ?
Réponse
Au lieu de nous donner la température initiale en degrés Celsius, on nous la donne en kelvins. Pour faire la conversion, il faudra alors soustraire 273 et non pas ajouter :
Afin de déterminer le température en degrés Celsius, nous soustrayons 273 des deux côtés :
vaut 330 K, alors
La soustraction donne
Voyons maintenant comment convertir les degrés Fahrenheit en kelvin. Puisqu'il existe déjà une relation entre les échelles Celsius et de Kelvin, alors il s'agit simplement de convertir la température des degrés Fahrenheit en degrés Celsius, puis la convertir en kelvin. La formule pour convertir les degrés Fahrenheit en degrés Celsius est
Et pour convertir dans le sens inverse, des degrés Celsius vers les degrés Fahrenheit, la formule est
Par exemple, considérons une température de 22 °F, elle devient alors
En multipliant, nous obtenons
Maintenant que nous avons la mesure en degrés Celsius, nous pouvons l’utiliser pour convertir en kelvins.
Prenons un exemple.
Exemple 4: Convertir les degrés Fahrenheit en kelvins
À combien ça correspond 80 °F en kelvins ? Donnez la réponse au kelvin près.
Réponse
Commençons par convertir les degrés Fahrenheit en degrés Celsius en utilisant la formule
Introduisons la valeur 80 °F, et nous avons ainsi
En faisant la soustraction, nous obtenons
Et en multipliant par , nous obtenons
Maintenant que nous avons notre valeur en degrés Celsius, il faut juste ajouter 273 :
Comme on nous demande une réponse à l'unité près, nous arrondissons à 300 K.
Nous pouvons aussi convertir dans le sens inverse, des kelvins vers les degrés Fahrenheit.
Prenons un exemple.
Exemple 5: Convertir les kelvins en degrés Fahrenheit
À combien ça correspond 400 K en degrés Fahrenheit ? Donnez la réponse au degré Fahrenheit près.
Réponse
Commençons d'abord par convertir le kelvin en degré Celsius en soustrayant 273 :
Utilisons ensuite l’équation pour convertir les degrés Celsius en degrés Fahrenheit :
Introduisons notre valeur en degrés Celsius, soit :
En multipliant par 127, nous obtenons
L’addition nous donne la valeur en degrés Fahrenheit :
Il faut donner la réponse au degré près, alors nous arrondissons à 261 °F.
Maintenant que nous connaissons la relation entre le kelvin et les autres échelles de température, nous pouvons interpréter des graphiques.
Prenons un exemple.
Exemple 6: Comprendre les relations linéaires entre les échelles Celsius, Fahrenheit et de Kelvin
Le graphique représente les échelles de température Celsius et Fahrenheit comparées à l’échelle de température kelvin, où la température kelvin est indiquée sur l’axe horizontal. Quelle droite est celle qui représente l'échelle de température Fahrenheit ?
Réponse
Entre les échelles Celsius et Fahrenheit, l'échelle Fahrenheit augmente plus rapidement. Il faut donc s'attendre à ce que la droite représentant l'échelle Fahrenheit ait une plus grande pente ; soit la droite orange.
En s'aidant des nombres donnés sur le graphique pour vérifier, et comme nous savons que la valeur 0 K correspond à degrés Celsius, il suffit donc de trouver la droite qui passe par une valeur voisine de degrés Celsius lorsque la température est de 0 K. La droite bleue est proche de , et la droite orange est proche de .
Nous déduisons ainsi que la droite bleue représente l'échelle Celsius, et la droite orange représente l'échelle Fahrenheit.
Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.
Points clés
- Les trois échelles de température les plus utilisées sont les échelles Celsius, Fahrenheit et de Kelvin.
- Le kelvin est l’unité de base de température dans le système de mesure international (SI).
- Le zéro absolu est la température la plus basse possible.
- Pour convertir les kelvins en degrés Celsius, on ajoute 273. Et pour convertir dans le sens inverse, on soustrait 273.
- Pour convertir les kelvins en degrés Fahrenheit, on utilise l'équation
- Pour convertir les degrés Fahrenheit en kelvins, on utilise l’équation
