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cadran de température froide et neige En lisant SCMB et divers journaux au sujet d’une expérience menée par des scientifiques allemands sur les températures absolues négatives, on voit qu’il y a une grosse confusion sur la définition de la température, de la chaleur (et le lien entre les deux) et sur la notion d’énergie en physique quantique.

Il n’est toujours pas possible d’aller moins vite que l’immobilité, et donc d’aller sous la barre du zéro absolu.

La température thermodynamique (celle que l’on connaît) c’est le degré d’agitation des molécules. Au zéro absolu, le 0 K (qu’il n’est pas possible d’atteindre), tous les atomes sont dans leur état énergétique le plus bas : leur déplacement est nul et ils sont immobiles.

En temps normal et en l’absence de changement d’état, quand on ajoute de la chaleur à un corps, alors la température augmente (ne confondons pas chaleur et température), et l’entropie aussi.
Il en résulte que la variation d’entropie avec l’énergie se fait dans le même sens que la variation de température.

Le truc ici, c’est qu’un ajout d’énergie n’augmente pas la température des atomes : au contraire, l’entropie va diminuer avec une augmentation d’énergie. Pour atteindre la quasi-immobilité des atomes (et se rapprocher du 0 K) il faut donc ajouter de l’énergie.
La température dont on parle n’est pas la température dans le sens « agitation des molécules ». Ici, c’est clairement le taux de variation de l’entropie sur l’énergie.

Cela à cause d’une inversion de la distribution des atomes par leur énergie — analogue à ce qu’on voit dans un laser.

Autrement dit, pour satisfaire aux équations, l’inversion ici se traduit ici par un signe moins dans l’équation de distribution de Boltzmann. Et là, vu que la température est également à un terme négatif, c’est comme si il était inférieur à 0 K (c’est très bien expliqué sur cette vidéo et ).

Ce n’est pas le 0 K qu’il faut remettre en cause, mais plutôt l’idée qui dit que l’absorption de chaleur augmente la température.

Il ne faut pas non plus penser que le 0 K signifie une matière figée sans aucune agitation : les atomes continuent de vibrer grâce à des phénomènes quantiques indépendant de l’agitation thermique. C’est pourtant là que l’expérience des températures négatives joue : les atomes sont immobilisés au maximum mais on leur envoie de l’énergie quand même : c’est l’énergie sous forme de niveaux d’énergie quantique qui augmente, pas leur vitesse de déplacement.

Quand on relâche les atomes, le transfert de chaleur se fera toujours vers l’extérieur : ils perdront toujours leur énergie pour revenir dans une distribution énergétique « normale ». C’est pour ça qu’on a pu entendre dire que « sous le zéro absolu, il fait très chaud ».

image de Kyuman

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eau de pluie star wars
Un hygromètre est un appareil qui capte le taux d’humidité et nous retourne un pourcentage, appelé le taux d’humidité relative, ou hygrométrie, censé nous renseigner.

Cette valeur n’est pas la quantité d’eau dans l’air et pas non plus la quantité de vapeur d’eau dans l’air, ni même le rapport masse d’eau sur masse d’air. Alors à quoi correspond-t-il ?

Pour faire court, l’hygrométrie correspond au pourcentage de saturation de l’air en humidité. Une humidité relative de 60 % est donc équivalent à dire que l’air est à 60 % de sa saturation en humidité. L’air à 60 % est donc susceptible de contenir plus d’eau.

Si l’hygrométrie est à 0 %, l’air est parfaitement sec : il ne contient pas d’eau. Si il est à 100 % l’air est saturé en eau (gazeux) et toute quantité d’eau que l’on y ajouterait de force provoquera la formation de gouttelettes, de nuages, puis de précipitations.

À quoi sert-il de connaître l’humidité relative ?
Couplée aux informations de pressions et de températures (ainsi que leur évolution), elle permet de prévoir la pluie : c’est donc important pour les prévisions météorologiques.

Il faut noter que la quantité d’eau que l’air peut accueillir dépend de la température et de l’altitude (de la pression, en fait). Une hygrométrie de 60 % ne correspond pas à la même quantité d’eau dans l’air partout (en montagne, en ville, en mer…).

Par exemple :

  • À 20 °C et au niveau de la mer, l’air peut contenir environ 18 grammes d’eau par mètre cube avant de saturer ;
  • À 60 °C au niveau de la mer, cela monte à 129 grammes d’eau par mètre cube ;
  • À 20 °C et à 5500 mètres d’altitude, l’air sature dès 9 grammes d’eau par mètre cube.

Pour prendre un cas concret de prévision météo, imaginons qu’il fasse chaud et humide. On mesure que depuis 2~3 jours, la tendance est à une baisse de température.

On sait que l’air peut accueillir plus d’eau quand il est chaud, et moins d’eau quand il est froid. Si la température baisse trop, l’air se sature en eau et l’hygrométrie va atteindre 100 %. Si la température baisse encore, des gouttelettes d’eau liquide vont se former et il y risque de pluie.

Même chose si de l’air saturé en eau monte dans le ciel : des nuages de gouttelettes se forment dès une certaine altitude (à cause du froid et de la pression). C’est d’ailleurs pour ça que la base des nuages est souvent parfaitement horizontale, car cela délimite la zone de température constante avec l’altitude.

La connaissance des tendances de températures, de pression et d’hygrométrie permettent donc de savoir plus ou moins à l’avance quand et où l’air sera saturé en eau, et donc où il va pleuvoir.
La météorologie reste cependant très difficile : en plus du caractère chaotique (aléatoire) des mouvements des masses d’air, il faut prendre en compte le vent, l’heure de la journée, la température, l’humidité du sol… sur plusieurs jours ou semaines pour pouvoir avoir des prévisions fiables.

L’on excusera alors facilement les erreurs faites à la météo, surtout concernant les prévisions au delà de 2~3 jours, qui ne sont que des résultats de probabilités.

image de Kristina Alexanderson

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