2018 05 thermometres weather station 572856 pixabay
Mesurer la température avec un thermomètre nous semble aujourd'hui très simple... mais il a fallu beaucoup d'ingéniosité !
Car un thermomètre doit pouvoir mesurer - indirectement - l'effet de la température sur des liquides, des solides, des gaz...
Et qu'on puisse détecter un changement assez net.
Voici comment on fait dans la pratique !

 

La température est en fait un degré de l'agitation des atomes...
et ce n'est pas facile d'aller leur demander à quel point ils sont agités !
Par contre, on peut mesurer indirectement leur agitation car elle a un effet bien visible sur la matière liquide, solide ou gazeuse. Mais encore faut-il trouver un moyen d'observer comment la matière change et la mettre dans un dispositif qui devienne un thermomètre. Voici pourquoi et comment on a fabriqué quelques "mesureurs de température" !

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thermomètres à liquides - thermomètres à solides - thermomètres à gaz - thermomètres à radiation
[Thermomètre de Six - Thermomètre de Galilée]

 

 
Le "thermomètre à liquide", le plus courant

2018 05 thermometres celsius 2125 pixabay... sans doute le premier thermomètre qui vous est venu à l'esprit en lisant le mot "thermomètre" !

Pour "traduire" la température, ce type de thermomètre contient un tube de verre très fin dans lequel se trouve un liquide.

2018 05 thermometres thermometer 1917500 pixabayCe liquide contenu un petit réservoir à la base du tube occupe un volume différent selon sa température : il occupe un volume plus grand quand il fait chaud que quand il fait froid. Le liquide va donc se dilater quand la température augmente (et monter dans le tube) ou se contracter quand la température diminue (et redescendre dans le tube).

2018 05 thermometre fleche hautSupposons que l'on rentre un thermomètre qui était dehors, à l'air froid, dans une cuisine chauffée.
L'air de la cuisine donne de la chaleur au thermomètre (et donc au liquide qui est dans le tube) jusqu'à ce qu'ils soient tous les deux à la même température.
Résultat : le liquide prend de plus en plus de place et la colonne de liquide monte dans le tube pour indiquer une température supérieure à la précédente.

 2018 05 thermometre fleche basInversement, si on ressort ce thermomètre dans le jardin : le thermomètre est plus chaud que l'air extérieur donc c'est le thermomètre qui transfère une partie de sa chaleur jusqu'à ce que le thermomètre (et son liquide) soient à la même température que l'air extérieur.
Résultat : le liquide prend de moins en moins de place et la colonne de liquide descend dans le tube pour indiquer une température inférieure à la précédente.

La preuve par l'expérience
  • Promenez-vous dans des endroits qui sont à différentes température (le jardin, la cave, la cuisine,...)
  • avec un peu de patience, vous verrez le liquide monter et descendre dans le tube

2018 05 thermometres fruit 3071905 pixabay

 
Avec sa belle couleur argentée, aucune doute :
ce thermomètre est un thermomètre à mercure !

Les thermomètres à mercure était très courants mais ils ont tendance à "disparaître de la circulation" parce que le mercure est très toxique et polluant.

Construire un "thermomètre à liquide" en utilisant du mercure était pourtant très pratique : le mercure est un métal qui est liquide entre -39°C (en dessous, il devient solide) et + 400°C (au-dessus, il devient gazeux).
Avec une telle plage de mesure, on pouvait fabriquer toutes sortes de thermomètres pour à peu près toutes les utilisations courantes d'un thermomètre :  pour mesurer la température de l'air, pour mesurer la température du corps... ou la température de la confiture en train de cuire !

Aujourd'hui, un bon "liquide de remplacement" pour ces utilisations courantes est l'alcool (à condition de le colorer parce que l'alcool est transparent ) : il est liquide entre - 80 °C et + 75°C.
Et pour des températures plus basses, on utilise du toluène (jusqu'à -90°C environ) ou du pentane (jusqu'à -220°C).

Mais voilà qui nous amène à une question cruciale :
fabriquer le "bon" thermomètre selon les températures que l'on veut mesurer !

Car il faut choisir un liquide, et une façon de fabriquer un tube où il puisse se dilater, pour pouvoir à la fois lire de la plus basse à la plus haute température que l'on risque d'avoir à mesurer... et avoir une bonne précision quand il s'agit de lire la température. Ce ne serait pas pratique d'avoir un thermomètre de 2 mètres de haut dans sa cuisine pour pouvoir distinguer s'il fait plutôt 20°C ou 21°C... alors qu'il y fait (très) rarement -20°C ou + 60°C !
En termes scientifiques, cela s'appelle "avoir le bon intervalle de mesure et la précision suffisante".
Dans la pratique, cela veut dire qu'il faut bien choisir le liquide (tous ne se dilatent pas de la même façon) et fabriquer aux bonnes dimensions le réservoir et le tube où il peut circuler.

Pour mesurer la température du corps humain, par exemple, pas besoin d'avoir un grand intervalle de mesure : le corps est à 38°C plus ou moins quelques degrés.
S'il va de 36°C à 43°C, c'est largement suffisant. Par contre, il faut pourvoir lire clairement de petites différences de température : avoir 37,5°C n'est pas du tout la même chose que 38°C pour le corps humain !
On fabrique donc
- un réservoir où on met assez de liquide qui occupe tout le réservoir quand il est à 35°C,
- un tube en verre transparent avec un canal très fin au milieu pour que le liquide y monte à la moindre différence de température
et on pose le tout - bien en place - sur une plaque graduée en 1/10 de degré.

Pour un thermomètre "météo" qui peut indiquer la température entre -30°C et +50°C par exemple, on fera pareil mais avec un réservoir où on met assez de liquide qui occupe tout le réservoir quand il est à -30°C et un canal assez long et fin pour que le liquide arrive tout en haut quand il fait +50°C.

Petite remarque au passage : du temps des thermomètres médicaux au mercure, on ajoutait un étranglement en bas du tube pour empêcher le mercure de redescendre trop vite après la mesure : cela donnait le temps de lire facilement la température maximum atteinte. Il suffisait ensuite de faire redescendre le mercure dans le réservoir, en le secouant. Mais il ne faut surtout pas secouer un thermomètre à alcool : cela mettrait des bulles dans la colonne d'alcool et fausserait la mesure !)

   

2018 05 thermometres mini maxi Un autre thermomètre à liquide :
le thermomètre à maximum et minimum (ou thermomètre de Six)

Voici aussi un thermomètre à liquide qui permet de "retenir" la température minimale et la température maximale qu'il a fait depuis qu'on l'a "remis à zéro" grâce à un tube en forme de U.

Il a été inventé par James Six qui était chargé de faire des mesures de températures à la cathédrale de Canterbury au 18e siècle... et ne voulait pas passer ses nuits à surveiller jusqu'où plongeait la température affichée par un thermomètre standard !

Son système est plutôt malin... et contient différents éléments très bien pensés !
Dans l'ordre, en partant du haut de la colonne de gauche (notée "Min") :
Max min bulbs- un petit réservoir rempli d'alcool (transparent) connecté à un tube où l'alcool peut descendre quand il a besoin de plus de place
- en dessous, un flotteur en acier (noir sur la photo), asssez ajusté à la paroi du tube pour ne glisser que s'il est poussé vers le haut,
- encore en dessous, dans le bas du U et jusque dans la colonne de droite, un liquide bien visible (bleu sur la photo) et assez visqueux pour "pousser un flotteur" sans le contourner
- au dessus de ce liquide (mais dans la colonne de droite cette fois), un deuxième flotteur
- le haut du tube contient aussi de l'alcool (ou un autre liquide transparent) qui peut s'échapper dans un deuxième petit réservoir (au dessus) s'il est poussé par le liquide bleu et le flotteur

A première vue, ce thermomètre ressemble surtout à un "double thermomètre" puisqu'on peut lire la température sur les deux colonnes, même si la lecture sur la colonne de gauche est un peu sportive puisque sa graduation est inversée !
Mais contrairement aux thermomètres "standards", ce n'est pas le liquide "en bas" qui fait le boulot :
le liquide bleu sert juste à voir quelle hauteur est atteinte dans chaque colonne
c'est l'alcool en haut de la colonne de gauche qui va traduire la température.

Et on peut "re-poser" les deux flotteurs sur le liquide bleu en appuyant sur le bouton rouge :
cela actionne un aimant qui les attire vers le bas.

Pour comprendre comment fonctionne ce malin montage, repassons du jardin à la cuisine avec ce thermomètre !

2018 05 thermometre fleche hautSupposons que l'on rentre ce thermomètre qui était dehors, à -20°C, dans une cuisine chauffée à 28°C.
L''alcool du haut du tube gauche était à -20°C dans le jardin. Il occupait donc assez peu de place : son réservoir et la partie tout en haut du tube. La colonne d'alcool descendait donc jusqu'au petit flotteur noir.
Quand l'air de la cuisine donne de la chaleur au thermomètre (et donc à l'alcool qui est dans le tube), l'alcool se dilate (en contournant le flotteur) et pousse le liquide bleu vers le bas.
Mais du coup la colonne de liquide bleu avance dans le U et remonte plus haut dans la colonne de droite, en poussant juste au dessus d'elle le deuxième flotteur.
Résultat : on lit qu'il fait 28°C à la limite de l'alcool et du liquide bleu (dans les deux colonnes) mais le flotteur de la colonne de gauche est resté à la température (froide) du jardin : -10°C.
(Remarquez que l'alcool qui est en haut de la colonne de droite se dilate aussi mais il se laisse pousser parce qu'il débouche sur un réservoir assez grand pour lui servir de "refuge").

2018 05 thermometre fleche basRetournons maintenant dans le jardin !
Le thermomètre est plus chaud que l'air extérieur et transfère une partie de sa chaleur pour se refoidir.
Du coup, l'acool va donc se rétracter dans le tube de gauche tandis qu'à droit, l'alcool qui était un peu "à l'étroit" va en profiter pour retrouver de la place
En contournant le flotteur, il pousse le liquide bleu vers l'autre côté du U.
Résultat : on lit qu'il fait -10°C à la limite de l'alcool et du liquide bleu (dans les deux colonnes) mais le flotteur de la colonne de droit est resté à la température (chaude) de la cuisine : 28°C.

Et voilà, on sait qu'on a promené notre thermomètre entre une température minimale de -10°C et une température maximale de 28°C. Il ne reste plus qu'à actionner l'aimant et refaire descendre les flotteurs si on veut faire une autre expérience ou - parce qu'il est plutôt fait pour ça - voir à combien la température descendra cette nuit et remontera demain au soleil !

La preuve par l'expérience
  • Promenez-vous dans des endroits qui sont à différentes température (le jardin, la cave, la cuisine,...) avec un thermomètre de Six
  • avec un peu de patience, vous verrez le liquide évoluer dans le tube et marquer les minimum-maximum grâce à ses flotteurs
 
2018 05 thermometre galilee VP 1Encore un thermomètre à liquide :
le "thermomètre de Galilée"

Voici un autre thermomètre à liquide, devenu très "tendance"... alors qu'il est vieux de 400 ans !

Il indique la température grâce à des ampoules plongées dans un liquide transparent.
Comme tout liquide, ce liquide transparent se dilate avec la température et a donc une densité plus grande quand il fait froid que quand il fait chaud. (redo 148063 pixabay 20x12 voir ce qu'est la densité d'un corps ).
Toutes les ampoules ont le même volume mais des masses très légérement différentes.

Avec ce système, tout est donc une question de flottabilité des ampoules (redo 148063 pixabay 20x12 voir ce qu'est la flottabilité ) :

  • si la masse de liquide déplacée par le volume d'une ampoule est plus grande que la masse de l'ampoule,
    l'ampoule monte
  • si la masse de liquide déplacée par le volume d'une ampoule est égale à la masse de l'ampoule,
    l'ampoule flotte au milieu
  • si la masse de liquide déplacée par le volume d'une ampoule est plus petite que la masse de l'ampoule,
    l'ampoule descend

Chaque ampoule a une masse ajustée pour correspondre à la densité du liquide transparent à une température "possible" et porte un médaillon avec la température à laquelle elle correspond.
Celui-ci a une série d'ampoule qui vont de 16°C et 28°C par tranche de 2°C (d'autres ont une étendue moins grande mais des ampoules pour chaque °C).

2018 05 thermometre galilee VP 3 2018 05 thermometre galilee VP 2 On lit la température sur la boule qui flotte au milieu du thermomètre et -s'il n'y en a pas au milieu - en regardant quelles boules sont "juste en bas" et "juste en haut".
Quand ces photos ont été prises, l'ampoule notée "22°C" était en bas et l'ampoule notée "24°C" flottait en haut donc il faisait 23°C !

 

 
"Les thermomètres à solide"

Pour mesurer la température, on peut utiliser le fait que les solides, eux aussi, se dilatent et se contractent.
Mais les solides ont aussi de nombreuses autres propriétés qui changent avec la température !

 Chaque métal se dilate différemment avec la température

Le thermomètre à spirale contient deux lames soudées l'une contre l'autre, chacune faite d'un métal différent. Si on enroule ce bilame en "escargot",  il se déforme quand la température monte ou descend : il ne reste plus qu'à lire à quelle tempértaure correspond la déformation en ajoutant une aiguille au bout de la spirale et un cadran gradué !
On choisit deux matériaux qui réagissent très différemment à la température comme du nickel (qui se dilate beaucoup avec la température) et de l'invar (conçu, lui, pour justement ne pas se dilater). redo 148063 pixabay 20x12  Le nom et la composition des différents métaux

Les cristaux liquides changent de couleur avec la température

On fabrique des thermomètres à cristaux liquides en utilisant différents cristaux liquides où chacun apparait très coloré à une température précise et plus sombre à toutes les autres.
Une série de cristaux liquides placée sur une bandelette - en forme de chiffres qui indiquent "LA" température de chacun ou en forme de rectangle le long d'une échelle graduée - peut donc se transformer en thermomètre !
Ce n'est pas très précis mais très pratique pour les aquariums ou en thermomètre médical frontal.

Les solides laissent circuler les électrons de façon différente selon la température

2018 05 thermometres thermometer 36852 pixabay Les thermomètres électroniques peuvent contenir différents composants capables de mesurer la température en mesurant comment la résistance d'un matériau change avec la température.

  • Il peut s'agir tout simplement d'un fil métallique (car la résistance d'un métal change avec la température)
    Si on connaît très bien comment la résistance du fil métallique varie avec la température, voilà qui permet une mesure très précise et rapide !
    Il suffit de faire passer un courant I à l'intérieur et de mesurer la tension V entre ses extrémités pour en déduire sa résistance r ( = r x I ). Un circuit électronique "traduit" ensuite la valeur de la résistance en température et l'affiche !
  • 2018 05 thermometres thermistor On utilise aussi des thermistances (ou thermistors en anglais).
    Elles sont basées sur le même principe mais fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs dont la résistance varie très vite avec la température.
    Comme elles peuvent être rendues extrêmement petites et sont très sensibles sans coûter cher, on les utilise donc beaucoup dans le circuits électroniques.

Les thermocouples sont aussi utilisés dans des montages électriques.
Ce sont des circuits composés de deux métaux différents soudés l'un à l'autre où l'on utilise l'effet Seebeck.
Ce phénomène - découvert par le physicien allemand Thomas Seebeck en 1821 - se produit quand on met les bouts de 2 fils métalliques différents à des températures différentes : en soudant ensemble l'une des extrêmité de ces fils, une différence de tension apparait à l'autre bout. 
En la mesurant (avec un voltmètre), on peut alors déduire quelle est la différence de température : pour chaque couple de métaux utilisés, on a des tables de valeurs qui permettent de savoir à quelle différence de température correspond la différence de potentiel V que l'on a lue sur le voltmètre.

Les thermocouples sont très précis et peuvent déceler des variations de température d'un milionnième de degré !
En utilisant différents couples métalliques, on peut ainsi mesurer des températures de -269 °C jusqu'aux environs de 2 300 °C.

Par contre, on ne peut pas déduire la valeur de la température : si l'on veut mesurer une valeur de température, il faut que l'une des extrêmités serve de référence... en mesurant sa température avec un thermomètre.

 Un cristal modifie la fréquence à laquelle il vibre selon la température

2018 05 thermometres quartzUn thermomètre à quartz mesure la température de façon très très précise en mesurant comment changent les vibrations d'un cristal de quartz.
Dans ces thermomètres utilisées pour l'électronique, une plaque de quartz est "faite sur mesure" pour vibrer à une certaine fréquence... qui diminue ou augmente selon que la température baisse ou augmente autour de 25°C. Et c'est du "haute précision" : il est précis à 0,02 °C entre 0 et 100 °C !

Remarque : les oscillations du quartz ne sont plus très utilisées pour mesurer la température...
Par contre, ces oscillateurs sont très très fréquents dans les objets qui vous entourent : la régularité et la précision des oscillations du quartz permettent de "mesurer le temps". Oui, comme dans les montres "à quartz" ! Mais c'est le même composant qui se trouvent dans votre téléphone portable, votre ordinateur, le minuteur du four,... Et - vous l'avez compris puisqu'on l'utilisait comme thermomètre - à condition de "corriger" la fréquence des oscillations selon la température ambiante !

 

 
Les thermomètres à gaz

Les gaz aussi évoluent avec la température : la pression ou le volume d'un gaz augmente avec la température en suivant la loi des gaz parfait P x V = n x R x T (redo 148063 pixabay 20x12 La loi des gaz parfaits )

2018 05 thermometres pressure 2809775 pixabayIl suffit donc de mesurer, par exemple, comment change la pression d'un gaz "prisonnier" dans un volume fixe pour mesurer sa température.
Pour cela on connecte un manomètre - qui mesure la pression - à un réservoir contenant un gaz. Quand la température augmente, la pression augmente aussi.
Et si on a bien réglé le manomètre au départ, on sait exactement à quelle température est le gaz !

Mais on peut aussi mesurer comment le volume augmente ou diminue avec la température, avec un dispositif qui laisse la pression être toujours la même que l'air ambiant.
C'est ce qui se passe dans un ballon de baudruche que l'on gonfle à l'intérieur d'une maison et que l'on sort ensuite au jardin en plein hiver !
(redo 148063 pixabay 20x12 Pourquoi les ballons de baudruche finissent toujours par se ratatiner ? )

 

 

"Les thermomètres qui mesurent à distance"

Jusqu'à présent, il fallait placer notre thermomètre là où on veut mesurer la température.
Mais comment mesurer la température d'un objet où l'on n'arrive pas à aller, comme une étoile ?
En utilisant les ondes émises dans différentes longueurs d'ondes par tous les objets qui ne sont pas au zéro absolu !

Car tout objet qui n'est pas à zéro degré Kelvin - la température où tout est immobile dans les atomes, même leurs électrons ! - émet des ondes qui ne dépendent que de sa température.

2018 05 thermometres iron 900391 pixabayLa plupart sont invisibles à nos yeux...
Votre corps à 37°C émet par exemple des rayons infrarouges (qui vont un peu changer de couleur si vous avez de la fièvre...) que vous ne voyez pas. redo 148063 pixabay 20x12 Les rayons infrarouges
Mais avec une température assez haute, ce rayonnement contient aussi des ondes visibles : de l'acier très chaud finit par devenir lumineux ! redo 148063 pixabay 20x12 La lumière visible (et ses couleurs)

On peut donc construire différents thermomètres qui "captent" une onde particulière rayonnée par un objet et la mesurent précisément pour en déduire la température de l'objet.

2018 05 thermometres pyromètre pce Le thermomètre à infrarouge (que l'on appelle aussi pyromètre) ressent et mesure précisément les rayons infrarouges. Et cela peut être très utile pour mesurer "à distance" si un cable n'est pas en train de surchauffer dans une armoire électrique plutôt que d'aller y mettre la main.

2018 05 thermometres maison thermoIREn utilisant des capteurs à infrarouge dans une caméra (on parle de caméra infrarouge ou de caméra thermique), on peut savoir à quelle température est chaque pixel... et donc savoir où une maison "perd" la chaleur du chauffage en hiver... 

ou mesurer la température de toutes la surface du corps d'une personne !2018 05 thermometres heat 87276 pixabay


Mais on peut se servir de n'importe quelle onde électromagnétique (redo 148063 pixabay 20x12 Les ondes électromagnétiques) et c'est ce que font les astrophysiciens !

EM Spectrum

sun 11582 pixabayIls mesurent les rayons visibles (en débordant des deux côtés, pour avoir aussi les infrarouge et les ultra-violet) quand ils veulent mesurer la température de la surface d'une étoile - comme le Soleil - à partir des rayons qu'elle émet.

Mais pour connaître la température de la surface d'une planète - plus froide - ou de l'Univers (encore plus froid, à 4K), ils utilisent des ondes qui "trahissent" une température basse comme les rayons X ou les rayons gamma.

 

 

archi7Vous avez un thermomètre qui n'est pas décrit ici et qui vous paraît mail-147401-pixabay.pngmystérieux ?

Demandez à archi7, il vous répondra !

Auteur du site

id_vero_2008_50x59.jpgVéronique Parasote
Docteur en physique
Journaliste scientifique

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(réservé à l'auteur)

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