unités de mesure de température

Un thermomètre peut afficher 20 °C, 293,15 K ou 68 °F : ces trois nombres décrivent la même température. Ce qui change, c’est l’échelle choisie, avec son origine et la taille de ses graduations.

Le degré Celsius accompagne la vie quotidienne, le kelvin sert de référence au Système international et le degré Fahrenheit reste employé principalement aux États-Unis, à Belize et dans certains territoires.

Une unité de température associe une valeur numérique à une température sur une échelle donnée. Le kelvin, de symbole K, est l’unité du Système international. Son échelle est absolue : 0 K correspond au zéro absolu thermodynamique. Depuis mai 2019, sa définition repose sur la valeur exacte de la constante de Boltzmann k, égale à 1,380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹. Jusqu’alors, elle reposait sur le point triple de l’eau, fixé à 273,16 K.

Le degré Celsius, de symbole °C, est défini à partir du kelvin. Si t est la température Celsius et T la température thermodynamique, leurs valeurs numériques vérifient $\frac{t}{{}^{\circ }\mathrm{C}}=\frac{T}{\mathrm{K}}-\mathrm{273,15}\backslash frac\{t\}\{^\{\backslash circ\}\backslash mathrm\{C\}\}=\backslash frac\{T\}\{\backslash mathrm\{K\}\}-273\{,\}15$. Un écart de 1 °C a donc la même amplitude qu’un écart de 1 K, même si les zéros diffèrent.

Le degré Fahrenheit, de symbole °F, suit une autre origine et une autre graduation. Sa relation avec le degré Celsius est $T{(}^{\circ }\mathrm{F})=\frac{9}{5}T{(}^{\circ }\mathrm{C})+32T(^\{\backslash circ\}\backslash mathrm\{F\})=\backslash frac\{9\}\{5\}T(^\{\backslash circ\}\backslash mathrm\{C\})+32$. Ainsi, 0 °C vaut 32 °F et 100 °C vaut 212 °F. Des échelles historiques portent aussi les noms Rankine, Réaumur, Newton, Delisle, Leyden et Rømer.

Sur un thermomètre, une station météo ou un relevé scientifique, le symbole placé après le nombre indique l’échelle. K signale le kelvin, °C le degré Celsius et °F le degré Fahrenheit. La présence ou l’absence du signe degré est déjà un indice : on écrit 293,15 K, mais 20 °C et 68 °F.

Le contexte aide aussi : le Celsius domine les usages quotidiens, le kelvin est la référence du Système international et le Fahrenheit apparaît notamment aux États-Unis, à Belize et dans certains territoires. Le nombre seul ne suffit donc pas ; il faut toujours lire son symbole.

La grandeur lue est la température. Pour interpréter une valeur, on peut suivre quatre étapes : 1. relever le nombre ; 2. repérer le symbole K, °C ou °F ; 3. identifier l’origine et la graduation de l’échelle ; 4. convertir seulement si la comparaison l’exige.

L’illustration compare une même température, 20 °C, sur les trois échelles. Elle montre que Celsius et kelvin ont des intervalles identiques, tandis que Fahrenheit utilise une graduation différente.

Le piège visuel consiste à comparer directement les nombres : 293,15 paraît plus chaud que 68, alors que 293,15 K et 68 °F valent tous deux 20 °C. Le bon réflexe est de comparer des valeurs exprimées dans une même unité.

Un thermomètre indique 20 °C. Les données sont la température Celsius 20, le décalage de 273,15 entre Celsius et kelvin, le facteur 9/5 et le décalage de 32 pour Fahrenheit.

1. Pour obtenir les kelvins, on ajoute 273,15 : $20+\mathrm{273,15}=\mathrm{293,15}20+273\{,\}15=293\{,\}15$. La température vaut exactement 293,15 K selon la relation entre les deux échelles.

2. Pour obtenir les degrés Fahrenheit, on multiplie d’abord 20 par 9/5 : $\frac{9}{5}\times 20=36\backslash frac\{9\}\{5\}\backslash times20=36$.

3. On ajoute ensuite 32 : 36 + 32 = 68. La même température vaut donc 20 °C, 293,15 K ou 68 °F.

Le contrôle se refait en sens inverse : (68 − 32) × 5/9 = 20 °C. On retrouve la valeur de départ.

Pour la météo ou la température d’une pièce, le degré Celsius donne une lecture familière. Face à une valeur en degrés Fahrenheit, on la convertit avant de la comparer à un relevé en degrés Celsius.

Dans un calcul exprimé dans le Système international, le kelvin est la référence. Il devient indispensable lorsque l’origine absolue de l’échelle compte, car 0 K est le zéro absolu thermodynamique.

Pour comparer des variations en Celsius et en kelvins, aucune conversion de taille n’est nécessaire : un écart de 5 °C correspond à un écart de 5 K. Il ne faut ajouter 273,15 que pour convertir une température, pas un intervalle.

Une température et un intervalle de température ne se convertissent pas de la même façon. La température 20 °C devient 293,15 K parce que les origines diffèrent ; une hausse de 20 °C correspond en revanche à une hausse de 20 K.

Le kelvin ne s’écrit pas « degré Kelvin ». Le symbole K identifie l’unité du Système international, tandis que °C et °F conservent le signe degré. Le cas 293,15 K contre 20 °C permet de trancher immédiatement.

Dans le cadre des températures thermodynamiques usuelles considéré ici, la température ne descend pas sous 0 K : ce seuil est le zéro absolu thermodynamique. Sur l’échelle Fahrenheit, il correspond à −459,67 °F. Une valeur annoncée sous ce seuil révèle donc une erreur dans ce cadre. Des températures thermodynamiques négatives peuvent toutefois être définies pour certains systèmes à spectre d’énergie borné ; ces cas particuliers ne sont pas couverts ici.

Les repères de l’eau ne doivent pas être transformés en vérités universelles. À la pression atmosphérique normale de 1 atm, la glace fond aux environs de 0 °C, soit 273,15 K, et l’eau bout près de 100 °C. À 1 bar, son ébullition se situe approximativement à 99,975 °C. Ces valeurs dépendent de la pression et ne constituent pas la définition de l’échelle Celsius.

Les anciens points de référence du Fahrenheit expliquent son histoire, mais pas sa définition actuelle. Celle-ci est fixée par 0 °C = 32 °F et 100 °C = 212 °F ; les repères de Dantzig et du sang d’un cheval ne servent pas à refaire une conversion moderne.

Le Système international d’unités replace le kelvin parmi les unités de référence et éclaire son lien avec la seconde, le mètre et le kilogramme.

La fiche Lord Kelvin prolonge l’origine du nom de l’échelle absolue et présente la personne à laquelle il rend hommage.