Le thermomètre
par Sébastien Faucher
Introduction
Autrefois, les humains se fiaient à leurs sens afin de déterminer
la température d'un objet ou de l'air ambiant. Nos sens nous fournissent
des indices qualificatifs de la température, mais ils sont souvent trompeurs.
Nous devons donc disposer de méthodes fiables pour établir une
échelle de température. Depuis plusieurs années et même
des décennies, de nombreuses questions restent inexpliquées quant
à la façon de mesurer la chaleur. Plusieurs scientifiques, tels
que Réaumur, Celsius, Fahrenheit et bien d'autres, se sont penchés
sur ce sujet. Il existe aujourd'hui des thermomètres de toutes sortes,
conçus dans l'intention de répondre aux besoins de chaque domaine.
Au cours de cette recherche, je souhaite, dans un premier temps, définir
le thermomètre; deuxièmement, vous présenter les hommes
qui l'ont concrétisé; dans un troisième temps, vous familiariser
avec les échelles ainsi que leurs utilités et finalement, vous
donner des exemples de thermomètres dont on se sert dans la vie de tous
les jours. En fait, le thermomètre peut nous servir à mesurer
ce que nous ne pensions jamais pouvoir mesurer comme, par exemple, la chaleur
dégagée par les couleurs
de l'arc-en-ciel.
Définition du thermomètre
Notre corps possède son propre "thermomètre". La preuve, ne vous
est-il jamais arrivé de retirer votre main au contact d'un objet chaud?
Le but des nombreux savants qui ont créé et modernisé le
thermomètre est de déterminer à quel point les objets sont
chauds ou froids. Le fonctionnement de celui-ci est basé sur la variation
des propriétés physiques (dilatation thermique, pression, etc.)
en fonction du changement de température. Le thermomètre est aussi
un instrument mesurant l'énergie cinétique des particules. La
théorie cinétique émise par Anders Celsius explique aussi
le fonctionnnement des thermomètres à liquide ordinaires. Le thermomètre
est constitué d'une tige de verre munie d'un réservoir à
son extrémité et contenant un liquide comme du mercure ou de l'alcool.
Quand ce liquide entre en contact avec un élément plus chaud,
ceci agite les particules du liquide que contient le thermomètre, ce
qui le dilate et fait grimper le mercure, par exemple, le long de l'échelle,
à l'intérieur du thermomètre. Lorsque le liquide rencontre
un milieu plus froid, l'effet inverse se produit.
Les inventeurs
Plusieurs hommes de science ont participé à l'évolution
du thermomètre. Trois d'entre eux se sont particulièrement illustrés.
Daniel Gabriel Fahrenheit
Fahrenheit est un physicien allemand, fils d'un négociant de Dantzig.
Afin de se consacrer à la fabrication des appareils de physique, Daniel
Gabriel partit très jeune à Amsterdam dans l'intention de faire
du commerce. "Ayant appris à souffler le verre, il construit surtout
des aréomètres et des thermomètres à alcool. Grâce
à l'emploi d'une graduation qui a conservé son nom, il réussit
dès 1709 à obtenir des thermomètres fournissant des indications
comparables. En 1715, substituant le mercure à l'alcool, il donne au
thermomètre à liquide sa forme définitive."(2)
Réaumur
"Né en 1683, à La Rochelle, René Antoine Ferchault de Réaumur
était à la charge de la direction de la description des divers
arts et métiers après avoir été admis à l'Académie
des sciences, à l'âge de 25 ans. Vers 1730, il construit un
thermomètre à alcool pour lequel est introduite, par une mauvaise
interprétation des fabricants, l'échelle 0-80; c'est le premier
appareil dont les indications sont comparables les unes aux autres.(2) Mais
ses recherches sur les alliages ferreux sont encore plus importantes : grâce
à elles, il démontre la possibilité de transformer la fonte
en acier, par addition de fer métallique ou oxydé. Il étudie
la cimentation et la trempe de l'acier dans son ouvrage: L'Art de convertir
le fer forgé en acier et l'art d'adoucir le fer fondu, en 1722. Il
s'intéresse à la ductilité des métaux, la résistance
des fils câblés et l'aimantation du fer. En 1722, il inaugure l'application
du microscope à l'étude de la constitution des métaux,
fondant ainsi la métallographie. Il mourut en 1757, dans la ville de
Saint-Julien-du-Terraux."
Anders Celsius
(...)"était un physicien et astronome suédois qui vécut
43 ans à se livrer à la science (1701-1744). Professeur d'astronomie
à l'Université d'Uppsala (1730), il fit partie, en 1737, de l'expédition
de Maupertuis, en Laponie, chargée de mesurer un degré du méridien
dans les régions polaires. Celsius fut l'un des premiers à comparer
les éclats lumineux des étoiles. Il a observé la variation
diurne de la déclinaison magnétique (1740), ainsi que les perturbations
produites par les aurores polaires. C'est lui qui créa, en 1742, l'échelle
thermométrique à laquelle on a donné son nom et où
les températures de fusion et d'ébullition sous la pression de
l' atmosphère sont très voisines de 0° et 100°."(2)
Les échelles de température
Les échelles de température sont, en quelque sorte, des moyens
fiables et universels d'identifier les différences de températures
d'un corps ou des facteurs atmosphériques. Les échelles sont constituées
d'unités. Trois échelles sont reconnues mondialement, dont le
degré Kelvin, le degré Celsius et le degré Fahrenheit.
Les échelles de température sont établies selon les propriétés
thermométriques suivantes : la variation de volume d'un liquide, la variation
de longueur d'un solide, la variation de pression d'un gaz à volume constant,
la variation de volume d'un gaz sous pression constante, la variation de résistance
électrique d'un conducteur et finalement, la variation de couleur d'un
corps très chaud.
Celsius et Kelvin
Entre la température Celsius et la température absolue (Kelvin),
il y a un décalage de 273,15.
Donc, T°C = TK - 273,15
Fahrenheit
Le degré Fahrenheit est égal à 9/5 du °C + 32.
C =[5°F - (5 x 32)]/9
Types de thermomètres
Il existe plusieurs types de thermomètres, parfois très
rapides, compacts ou ergonomiques avec affichage digital. Deux types restent
très importants, le thermomètre à dilatation thermique
d'un liquide et l'autre, le thermomètre à gaz.
Premièrement, abordons le thermomètre à mercure. Il
consiste en une masse de mercure se dilatant sous l'effet de la chaleur dans
un tube capillaire de verre. Dans ce cas-ci, la propriété thermométrique
est la dilatation du mercure, d'où la définition : toute
variation de température est proportionnelle à la variation
de longueur de la colonne de mercure. On met le thermomètre en
contact thermique avec des systèmes naturels à température
constante afin de calibrer celui-ci. Règle générale,
on choisit un mélange d'eau et de glace sous pression atmosphérique
standard comme repère thermométrique. Dans tous les cas, on
suppose que la propriété thermométrique varie de façon
linéaire en fonction de la température. Toutefois, on obtient
habituellement des résultats différents si l'on utilise des
thermomètres de plusieurs types pour mesurer une même température.
Par exemple, un thermomètre à mercure et un thermomètre
à alcool ne donneront pas exactement le même résultat,
car ces deux liquides n'ont pas exactement les mêmes propriétés
de dilatation thermique.
N.B. : Deux thermomètres conçus des mêmes composantes
donneront des résultats qui diffèrent l'un de l'autre. Ces problèmes
sont principalement causés par les techniques de fabrication des tubes
capillaires de verre à section uniforme. Plus les températures
à mesurer sont éloignées des repères thermométriques,
plus les résultats obtenus à partir des thermomètres
différents présentent des écarts importants.
Les thermomètres à gaz sont dits universels, car leurs données
ne dépendent pas des substances thermométriques utilisées.
À mesure que le gaz est chauffé, sa pression augmente et la
colonne de mercure s'abaisse. Seulement, son emploi est long et délicat,
car la moindre impureté risque de modifier les valeurs résultantes.
De plus, lorsque la température descend en dessous de 1 Kelvin, le
thermomètre n'est plus utilisable.
Conclusion
Le thermomètre est un outil indispensable dans plusieurs domaines. Tout
a débuté par nos sens, mais aujourd'hui, nous profitons de plus
de précision. Grâce aux hommes de science, la technologie ne cesse
de s'améliorer, mais la perfection du thermomètre reste encore
à venir. Bien que les techniques soient de plus en plus avancées,
souhaitons que le commun des mortels puisse toujours se servir des thermomètres,
car en plus d'être économiques et d'éviter plusieurs dangers,
il nous sont d'un grand secours dans la vie de tous les jours.
Bibliographie
1. La Grande Encyclopédie Française, Paris, Larousse, volume
19, 1976, p. 11753 à 11760.
2. Inventeurs et Scientifiques, Paris, Larousse, 1994, p. 137.
Documents dans W3
3. Pedneault, Sylvain.
La Lumière et ses applications, [En ligne]. Adresse URL: http://www.sim.qc.ca/pointedu/SIP/SIP_de_la_lumiere/C14.html
4. Thermostat
à immersion, [En ligne]. Adresse URL: http://www.labomoderne.com/pagescat/7-5/7-5-14.htm
Recherche : Sébastien Faucher, Centre
Le Goéland, Sherbrooke, QC
Page mise à jour le 24 janvier 2002
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