Comment a-t-on su que la température la plus basse possible est -273 °C ?
― Avant même de pouvoir refroidir jusque-là, on l'a déduit du rétrécissement de l'air
La température n'a pas de plafond, mais elle a un plancher. -273,15 °C : le « zéro absolu ». Ce qui est étonnant, c'est que ce nombre a été trouvé bien avant que l'humanité sache refroidir jusque-là. L'indice se cachait dans le même phénomène qu'un ballon qui se dégonfle en refroidissant.
Un ballon de plage gonflé à bloc en plein soleil d'été s'est un peu dégonflé le soir dans une pièce fraîche. Un matin d'hiver, le pneu du vélo semble un peu mou. Dans les deux cas, personne n'a laissé sortir l'air.
L'air se contracte quand il refroidit. Mais si l'on refroidit encore plus, que se passe-t-il ? S'il se contracte d'autant plus qu'on le refroidit, son volume finira-t-il par tomber à zéro ?
Il y a environ 300 ans, des scientifiques se sont posé exactement la même question. Et ils ont réussi à calculer cette « température où le volume devient nul ».
Deux indices seulement ont suffi
Si l'on refroidit de l'air à 0 °C de 1 °C, son volume diminue d'environ un 273e. Pour 2 °C, c'est deux 273e. Cette proportion est presque la même pour l'air, l'oxygène ou l'hydrogène.
Si l'on trace un graphique température/volume, les points s'alignent sur une droite parfaite. Une droite peut être prolongée au-delà de ce qu'on a mesuré. En la prolongeant, on atteint la température où le volume devient nul.
En somme, personne n'a vraiment refroidi jusque-là. C'est à partir de la « pente » mesurable qu'on a lu l'emplacement de ce plancher. Voyons cela étape par étape.
Ceux qui ont mesuré la contraction de l'air
Le premier à s'approcher de cette idée fut le Français Amontons. Vers 1702, avec un thermomètre où l'air était enfermé, il étudia la relation entre la température et la pression exercée par l'air. À partir de cette pente, on estime qu'il situa la température où la pression s'annule autour de -240 °C.
Environ 80 ans plus tard, le Français Charles, lui aussi, chauffa divers gaz pour observer comment leur volume variait. Charles est aussi connu comme le premier homme à avoir volé à bord d'un ballon à hydrogène. Mais il ne publia pas ses résultats.
En 1802, Gay-Lussac publia des mesures plus soignées. La surprise fut que, quel que soit le gaz, la proportion de dilatation était presque identique. En chauffant de 0 °C à 100 °C, le volume de chaque gaz devenait environ 1,37 fois plus grand.
Regardez la figure 1. Le trait plein en haut à droite représente la plage réellement mesurée, de 0 °C à 100 °C. En prolongeant cette droite en pointillé vers le bas à gauche, on atteint la ligne du volume nul à -273 °C. Tournez le curseur pour faire varier la température et observez comment l'air dans le cylindre en haut à gauche se contracte.
Qui a compris le vrai sens du « volume nul » ?
Mais il restait un problème embarrassant. L'air réel devient liquide avant d'atteindre -273 °C. Le moment où le volume atteindrait zéro n'arrive donc jamais vraiment. Ce point d'arrêt sur le pointillé n'était-il alors qu'un chiffre purement théorique ?
La réponse vint du Britannique William Thomson, futur Lord Kelvin. En 1848, il repensa le sens même de la température. À cette époque, l'idée se répandait que la chaleur n'était rien d'autre que « le mouvement de minuscules particules dans la matière ».
Regardez la figure 2. Les particules d'un gaz volent sans cesse et heurtent les parois. Plus c'est chaud, plus elles se déplacent vite, et plus elles repoussent fort les parois. En refroidissant, leur mouvement ralentit, la pression exercée faiblit, et le gaz se contracte. Autrement dit, le point d'arrêt du pointillé correspond à la température où le mouvement des particules est au minimum. On ne peut pas bouger plus lentement qu'immobile. C'est pourquoi il n'existe pas de température inférieure.
Thomson proposa une nouvelle échelle de température fondée sur ce point d'arrêt. C'est l'unité qu'on appelle aujourd'hui le « kelvin ». On fixe -273,15 °C à 0 kelvin, chaque degré ayant la même largeur qu'en Celsius. La température d'une pièce ordinaire avoisine ainsi 300 kelvins.
La vérification a pris cent ans
Une fois le calcul posé, la course a commencé : jusqu'où pourrait-on s'en approcher ? En 1877, l'oxygène fut liquéfié ; en 1898, ce fut le tour de l'hydrogène. En 1908, le Néerlandais Kamerlingh Onnes liquéfia l'hélium, atteignant -269 °C.
Même refroidi à ce point, le gaz se contractait toujours selon la proportion attendue, sans que le point d'arrêt ne se déplace. La droite en pointillé sur le papier était donc bien réelle. Trois ans plus tard, Onnes découvrit aussi la « supraconductivité » : la résistance électrique du mercure refroidi disparaissant soudainement.
Aujourd'hui, en laboratoire, on peut s'approcher jusqu'à un milliardième de degré. On ne peut pourtant jamais atteindre pile zéro : plus on s'en approche, moins les moyens d'extraire la chaleur restent efficaces.
Le fond de l'univers est à environ -270 °C. Pourtant, un nuage de gaz appelé la nébuleuse du Boomerang serait encore plus froid, autour de -272 °C. Quand un gaz se dilate violemment, il refroidit en se détendant. C'est le même mécanisme qu'une bombe aérosol qui refroidit, mais à l'échelle d'une étoile.
En résumé
Le zéro absolu n'est pas une température qu'on a découverte en refroidissant jusque-là. C'est une température qu'on a trouvée en mesurant précisément la « pente » de contraction d'un gaz entre 0 °C et 100 °C, puis en prolongeant cette droite. Plus tard, on a compris que ce point correspondait au minimum du mouvement des particules, et cent ans après, l'expérience a rejoint le calcul.
Là où personne ne pouvait aller, on avait déjà « mesuré » le chemin.
Une droite, celle de la contraction de l'air, indiquait cet endroit.
Pour la véritable nature du froid cosmique, lisez « L'espace est-il vraiment froid ? », et pour le mécanisme qui refroidit en transportant la chaleur vers l'extérieur, « Pourquoi le réfrigérateur réchauffe-t-il la pièce ? ». Pour une autre histoire de mesure ingénieuse de l'inaccessible, voyez aussi « Comment a-t-on pesé la Terre ? ».
- Gonflez un ballon et nouez-le, puis mesurez avec une ficelle la circonférence à son endroit le plus large.
- Placez le ballon au congélateur pendant environ 30 minutes, puis sortez-le et mesurez immédiatement la même circonférence.
- Réchauffez-le un moment entre vos mains et vérifiez qu'il retrouve peu à peu sa taille d'origine.
En passant d'une pièce à 25 °C à un congélateur à -18 °C, le volume diminue en théorie d'environ 14 %. En circonférence, cela représente environ 5 %, soit, pour un ballon de 30 cm, une réduction d'environ 1,5 cm. L'élasticité du caoutchouc fait que le résultat réel diffère un peu de ce calcul.
Pour en savoir plus ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « physique » et « chimie » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (thermodynamique, physique statistique)
- RechercheContenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme « établi » — un sujet que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Zéro absolu : la limite inférieure de température, impossible à franchir. -273,15 °C.
- Loi de Charles : à pression constante, le volume d'un gaz augmente avec la température selon une proportion fixe. Aussi appelée loi de Gay-Lussac.
- Température absolue (kelvin) : échelle de température où le zéro absolu vaut 0. Symbole : K. 0 °C équivaut à 273,15 K.
CollègeLycéeVérification par le calcul : retrouver la température limite à partir de la « pente » mesurée
Essayons de calculer la température à laquelle le volume devient nul, à partir des seules données dont disposait Gay-Lussac : « le volume à 0 °C et à 100 °C ».
| En notation symbolique | V = V0 × ( 1 + t ÷ 273 ) → V = 0 lorsque t = −273 |
| En mots | Volume actuel = volume à 0 °C × (1 + température ÷ 273). La température où le volume devient nul est l'inverse négatif du taux d'augmentation par °C |
| D'où vient cette formule | De la relation linéaire entre volume et température, mesurée à pression constante (loi de Charles). À la base se trouve la relation : température = intensité du mouvement des particules |
| Symbole | Signification et unité |
| V | Volume du gaz à cet instant (litres) |
| V0 | Volume à 0 °C (litres) |
| t | Température Celsius (°C) |
| Volume de l'air à 0 °C | 1 litre |
| Volume après chauffage à 100 °C (mesuré) | 1,366 litre |
| Écart de température chauffé | 100 °C |
| Augmentation de volume sur 100 °C | 1,366 − 1 = 0,366 litre |
| Augmentation par °C | 0,366 ÷ 100 = 0,00366 litre |
| Baisse de température nécessaire pour perdre 1 litre | 1 ÷ 0,00366 ≒ 273 °C |
| Température limite | 0 − 273 = −273 °C |
À partir des seules mesures entre 0 °C et 100 °C, on obtient une température limite de -273 °C. Les mesures de Gay-Lussac lui-même donnaient une proportion proche d'un 267e, soit une limite autour de -267 °C. En gagnant en précision, les mesures se sont rapprochées de 273.
| Température d'une pièce (27 °C) en absolu | 27 + 273 = 300 K |
| Température de l'azote liquide (-196 °C) en absolu | −196 + 273 = 77 K |
| Réduction de volume (facteur) | 300 ÷ 77 ≒ 3,9 |
En refroidissant un ballon avec de l'azote liquide, son volume se réduit en théorie à environ un quart. C'est ce dégonflement spectaculaire qu'on voit souvent dans les démonstrations des musées des sciences.
LycéeLycée+Volume, pression et température réunis
LycéeAu lycée, on apprend la « loi de Boyle-Charles », qui combine la loi de Charles et la loi de Boyle (à température constante, volume et pression sont inversement proportionnels). En y ajoutant la quantité de matière, on obtient l'équation d'état des gaz parfaits PV = nRT. Ici, T désigne la température absolue ; avec la température Celsius, cette formule ne prendrait pas une forme aussi simple.
Lycée+Selon la théorie cinétique des gaz, l'énergie cinétique moyenne d'une particule est proportionnelle à la température absolue, soit (3/2)kT (k étant la constante de Boltzmann). Cette formule montre que la température absolue est en fait « l'échelle de l'énergie du mouvement des particules ».
UniversitéUne échelle de température indépendante de la matière, et le troisième principe de la thermodynamique
La proposition de Thomson en 1848 était une « température thermodynamique » fondée sur la théorie des machines thermiques de Carnot. Son caractère révolutionnaire tenait au fait qu'elle permettait de définir la température indépendamment des propriétés d'une substance particulière ; on montra plus tard qu'elle coïncidait avec l'échelle des thermomètres à gaz. Par ailleurs, l'impossibilité d'atteindre le zéro absolu par un procédé fini est formalisée dans le troisième principe de la thermodynamique, issu du théorème de Nernst. Selon la mécanique quantique, même au zéro absolu, le mouvement des particules ne s'arrête jamais complètement : il subsiste une agitation minimale appelée vibration de point zéro.
📖 Pour les démonstrations des formules et pour aller plus loin : Zéro absolu (Wikipédia, en japonais) ／ Troisième principe de la thermodynamique (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- Jusqu'où peut-on s'approcher ? Certaines expériences rapportent avoir refroidi des ensembles d'atomes jusqu'à quelques dizaines de billionièmes de degré. La limite réelle des techniques de refroidissement reste encore un sujet de compétition active.
- La « température absolue négative ». Dans des ensembles d'atomes placés dans des conditions particulières, on parvient à créer des états où, selon une définition statistique, la température devient négative en kelvins. Cela ne signifie pas plus froid que le zéro absolu, mais plutôt un état interprété comme « plus chaud que l'infiniment chaud » ; le sens exact de cette interprétation fait encore débat.
- Les comportements de la matière visibles seulement à très basse température. La supraconductivité, ou la condensation de Bose-Einstein où les atomes se comportent comme une onde unique, sont des phénomènes qui n'apparaissent qu'au voisinage du zéro absolu, et dont les mécanismes ne sont pas encore entièrement élucidés.
Autrement dit, le contenu de cet article relève aussi d'une « explication en l'état actuel des connaissances ». La position du plancher est certaine, mais le monde qui la précède est encore en cours d'exploration.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・changements d'état et modèle des particules | Contraction au froid, mouvement des particules et température |
| Lycée | Physique/chimie « lois des gaz » | Loi de Charles, loi de Boyle-Charles, température absolue |
| Lycée+ | Physique « théorie cinétique des gaz » | Énergie cinétique moyenne et température absolue |
| Université | Thermodynamique・physique statistique | Température thermodynamique, troisième principe, vibration de point zéro |
| Recherche | Physique des basses températures・atomes froids | Records de très basse température, température absolue négative |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pneus et ballons qui se dégonflent en hiver, expérience de l'azote liquide |
- Wikipédia « Zéro absolu » (絶対零度, en japonais)
- Wikipédia « Loi de Charles » (シャルルの法則, en japonais)
- Wikipédia « Troisième principe de la thermodynamique » (熱力学第三法則, en japonais)
- Yamamoto Yoshitaka (山本義隆), *Histoire de la pensée thermodynamique* (『熱学思想の史的展開』), Chikuma Gakugei Bunko
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., *Chronologie des sciences* (『理科年表』), Maruzen Publishing
※Cet article est une présentation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des approximations destinées à faciliter la compréhension. Les dates historiques et les valeurs mesurées peuvent varier selon les sources. Les substances à très basse température, comme l'azote liquide, ne doivent être manipulées qu'avec un équipement spécialisé et sous encadrement.