TEMPERATURE ET THERMOMETRES

Rudiments

La température :

Lorsqu’on fournit de la chaleur à de la matière, soit sa température augmente, soit cette matière change d’état physique (si elle est solide elle fond et devient liquide, si elle est liquide elle devient une vapeur par ébullition) sans modification de sa température (par exemple la glace fond à 0°C et l’eau bout très près de 100°C).

L’élévation de la température se traduit par une augmentation de l’agitation des particules (atomes molécules ou ions) qui constituent la matière.

La température la plus basse que l’on puisse espérer atteindre est le zéro absolu ou « 0 » dans l’échelle kelvin noté « 0 »K.

A cette température les particules sont totalement immobiles. Il sera impossible d’atteindre cette limite mais on y tend ; actuellement on arrive à 1.10^-10K (c'est-à-dire 0,0000000001K) en laboratoire.

A ces très basses températures la matière a des propriétés étonnantes ; si l’on envoie un micro-courant électrique dans un circuit fermé fabriqué avec certains alliages, ce courant circule très longtemps sans s’atténuer notablement, alors qu’il disparaît presque instantanément à la température ordinaire. L’interprétation de ce phénomène réside dans l’absence de résistance électrique de certains matériaux à très basse température, c’est la supraconductivité.

Les thermomètres :

Pour mesurer une température on a très tôt fait appel à la dilatation des liquides quand leur température augmente ; les particules s’agitent davantage et occupent un espace plus grand, le volume augmente, le liquide se dilate. Si l’on enferme une certaine quantité de liquide dans un réservoir surmonté d’une colonne capillaire que l’on a préalablement vidé au maximum d’air, on obtient un thermomètre fonctionnant par dilatation ; plus le réservoir est grand et le capillaire fin, plus le thermomètre est sensible ; pour avoir un thermomètre précis il faut que le capillaire soit calibré c'est-à-dire que son diamètre intérieur soit parfaitement constant. Deux liquides ont surtout été utilisés pour réaliser les thermomètres par dilatation, le mercure, qui est actuellement interdit car ses vapeurs que l’on pourrait respirer en cas de rupture du réservoir sont toxiques, et l’alcool. Avec le mercure les températures explorées peuvent aller de -39°C à +357°C tandis qu’avec l’alcool la plage s’étend de -70°C à +75°C.

Pour graduer la colonne d’un thermomètre il faut décider d’une échelle de température.

· L’échelle internationale ou échelle kelvin (du nom du physicien anglais William Thomson dit Lord Kelvin (1824-1907)) est définie par le point « 0 » qui comme on l’a dit précédemment est la limite des températures et par l’amplitude de son unité (1K), découlant de considérations thermodynamiques. Il n’y a bien sûr dans cette échelle que des températures positives.

· L’échelle Celsius (du nom du savant suédois Anders Celsius 1701-1744) utilisée en Europe est définie par le point « 0 » qui correspond à la température de fusion de la glace et par l’amplitude de son unité (1°C) correspondant à celle de l’unité de l’échelle kelvin. Il existe dans cette échelle des températures positives et négatives. Le zéro absolu correspond à -273,15°C.

· L’échelle Farhenheit (du nom du physicien Prussien Daniel Gabriel Farhenheit 1686-1736) est utilisée par les anglo-saxons. La température de fusion de la glace correspond à 32°F, le point d’ébullition de l’eau dans les conditions normales de pression est 212°F et la température normale du corps humain est 98,6°F.

Les thermomètres à dilatation ont été les premiers inventés et sont utilisés pour des usages domestiques. Il existe bien d’autres types de thermomètres basés sur d’autres phénomènes physiques.

Pour mesurer la température d’une flamme, par exemple, il existe des pyromètres à disparition de filament dont le principe basé sur des phénomènes optiques est simple ; un métal (du fer par exemple) chauffé, émet de la lumière ; à partir de 550°C on perçoit une couleur rouge naissante qui devient franchement rouge à 850°C et blanche à 1300°C. Pour estimer la température d’une flamme on chauffe progressivement le filament métallique d’un pyromètre par passage d’un courant électrique et on le dispose devant la flamme. Lorsqu’on ne voit plus le filament (il est alors à la même température que la flamme, a la même couleur qu’elle et ne se distingue plus) on lit la température sur une graduation de l’appareil.

Un peu d’histoire :

Les origines des thermomètres sont assez floues. On prête à Galilée l’invention du premier thermomètre de l’histoire en 1592. Il s’agissait d’un appareil basé sur la variation de la masse volumique d’un liquide dans lequel était immergé un objet, avec la température. Le niveau auquel se trouvait cet objet renseignait sur la température. Pour d’autres cette invention vient de Padoue en 1612.

Le premier thermomètre par dilatation aurait été mis au point à Florence en 1641 par le grand duc de Toscane. Selon d’autres sources c’est Réaumur qui l’aurait construit en 1730. En 1742 Celsius décide de graduer un thermomètre à dilatation à 0 degré pour la glace fondante et à 100 degrés pour l’eau bouillant sous la pression atmosphérique normale. Les premiers thermomètres de précision semblent dater de 1780 (Lavoisier, Mossy, Fortin).