thermomètre 1 PRÉSENTATION thermomètre, instrument utilisé pour mesurer la température. L'invention du thermomètre est attribuée à Galilée. Les thermomètres modernes à mercure et à alcool furent inventés par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit ; celui-ci proposa également la première échelle de températures à être adoptée assez largement (elle porte son nom), dans laquelle 32 °F est le point de fusion de la glace et 212 °F est le point d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique normale. Depuis, différentes échelles ont été proposées, dont l'échelle centésimale, ou Celsius, conçue par l'astronome suédois Anders Celsius et utilisée dans la plupart des pays : 0 °C est le point de fusion de la glace et 100 °C est le point d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique normale. 2 TYPES DE THERMOMÈTRES Un grand nombre d'appareils sont utilisés comme thermomètres. La principale contrainte lors de la conception d'un thermomètre est qu'une propriété aisément quantifiable, telle que la longueur d'une colonne de mercure, change de manière visible et prévisible en fonction des variations de température. De plus, un changement d'une unité de température doit provoquer le changement d'une unité de la propriété à mesurer, et ce de manière homogène en tout point de l'échelle de graduation. 2.1 Thermomètres à liquide Les thermomètres à liquide utilisent la mesure de la dilatation d'un fluide en fonction de la température. Le thermomètre le plus communément utilisé est le thermomètre à mercure. Il se compose d'un tube capillaire en verre, de diamètre uniforme, s'évasant dans un réservoir rempli de mercure à l'une de ses extrémités. L'ensemble est étanche, afin de préserver un vide partiel dans le tube. Si la température augmente, le mercure se dilate et monte dans le tube. La température peut alors être lue sur une échelle graduée. Le mercure sert généralement à mesurer les températures usuelles ; on emploie également l'alcool, l'éther et d'autres liquides, en fonction de leurs points de congélation et d'ébullition, qui déterminent la plage de températures dans laquelle on peut les utiliser. Dans des régions où la température est assez basse, il est souhaitable d'employer des thermomètres à alcool. Lorsque les températures sont glaciales, on utilise des thermomètres à toluène. 2.2 Thermistances et thermocouples La résistance électrique d'un conducteur ou d'un semi-conducteur augmente avec la température. Ce phénomène est à la base du thermomètre à résistance, dans lequel une tension constante, ou potentiel électrique, est appliquée à la thermistance, partie sensible du capteur. Pour une thermistance de composition donnée, la mesure d'une température donnée induit une résistance spécifique pour la thermistance. Cette résistance peut se mesurer à l'aide d'un galvanomètre ( voir Électriques, mesures) et des circuits de transformation du signal adéquats permettent de convertir la mesure du courant en mesure numérique directe de la température. Différentes thermistances en oxydes de nickel, de manganèse ou de cobalt sont utilisées pour mesurer des températures entre - 46 °C et 150 °C, et des thermistances utilisant d'autres métaux ou alliages peuvent être employées pour des températures plus élevées : le platine, par exemple (jusqu'à 930 °C). Des mesures de température très précises peuvent être effectuées au moyen de thermocouples (voir Thermoélectricité), dans lesquels une faible différence de tension (mesurée en millivolts) apparaît lorsque deux fils de métaux différents sont réunis pour former une boucle dont les deux liaisons sont portées à des températures différentes. Suivant le type de thermocouple, on peut mesurer des températures allant de - 200 °C à 2 300 °C. Pour les températures très élevées, et pour des milieux agressifs, le thermocouple doit être protégé dans une gaine d'alumine. Pour accroître le signal de tension, plusieurs thermocouples peuvent être connectés en série pour former une thermopile. La tension dépendant de la différence entre les températures des liaisons, l'une de ces liaisons doit être maintenue à une température de référence connue, sinon un circuit de compensation électronique doit être intégré au système pour mesurer la température réelle du capteur. Les thermistances et les thermocouples sont souvent munis de capteurs d'une taille inférieure à 3 cm, ce qui leur permet de répondre rapidement aux variations de température et en fait des systèmes idéaux pour de nombreuses applications en biologie et en ingénierie. 2.3 Thermomètres de précision Le pyromètre optique permet de mesurer les températures d'objets solides au-delà de 700 °C. À de telles températures, les objets solides émettent suffisamment d'énergie dans la gamme des rayonnements visibles pour permettre une mesure optique fondée sur le phénomène de température apparente de la couleur d'incandescence, la couleur émise par les objets incandescents allant du rouge sombre au jaune, puis au blanc vers 1 300 °C. Le pyromètre contient un filament analogue à celui d'une ampoule électrique, commandé par un rhéostat calibré, de façon que les couleurs du filament incandescent correspondent à des températures précises. Ainsi, la température d'un objet incandescent peut être mesurée en regardant cet objet à travers le pyromètre et en réglant le rhéostat jusqu'à ce que le filament devienne invisible sur le fond de l'objet : les températures du filament et de l'objet étant alors égales, elles peuvent être lues sur l'échelle du rhéostat. 2.4 Thermomètres à maximum et à minimum Les thermomètres peuvent être conçus pour enregistrer les températures maximales et minimales atteintes. Le thermomètre médical à tube de mercure, par exemple, est un instrument de lecture maximale, dans lequel un piège est placé dans le tube capillaire entre le réservoir et le fond du tube. Le mercure se dilate sous l'effet de l'accroissement de la température, et le piège l'empêche de se rétracter lors du retour à la température ambiante, à moins que le tube ne soit vivement secoué. Les températures maximales atteintes en cours de fonctionnement d'outils ou de machines ou les interruptions de la chaîne du froid (qui favorisent le développement de micro-organismes pathogènes dans les aliments congelés) peuvent aussi être évaluées par des pastilles qui changent de couleur de manière irréversible lorsque certaines températures sont atteintes. 2.5 Thermomètres à bilame Un autre appareillage de mesure de température, utilisé principalement dans les thermostats, utilise la dilatation thermique différentielle de deux lames ou disques faits de métaux différents et reliés ou soudés à leurs extrémités. 3 PRÉCISION DE LA MESURE L'établissement d'un équilibre thermique entre l'instrument et son environnement est nécessaire pour une mesure précise de la température. À l'équilibre, aucun échange de chaleur ne s'effectue entre le thermomètre et les matériaux placés à son contact ou à proximité. Un thermomètre médical doit donc être appliqué suffisamment longtemps (plus d'une minute) pour atteindre un quasi-équilibre avec le corps humain et donner une mesure exacte. Ces conditions sont pratiquement impossibles à satisfaire avec un thermomètre buccal, qui indique généralement une température corporelle inférieure à celle donnée par un thermomètre rectal. Les temps d'insertion peuvent être sensiblement réduits grâce à la miniaturisation des sondes de température à réaction rapide, telles que des thermistances. Un thermomètre n'indique jamais que sa propre température, qui peut être différente de la température réelle à mesurer. Lorsque l'on mesure la température de l'air à l'extérieur d'un bâtiment, par exemple, deux thermomètres placés l'un à l'ombre et l'autre au soleil donneront des mesures assez différentes, bien que la température de l'air ambiant soit la même. Le thermomètre placé à l'ombre aura pu céder de la chaleur par rayonnement aux murs froids du bâtiment, et donnera de ce fait une mesure légèrement inférieure à la température réelle de l'air. En revanche, le thermomètre placé au soleil aura absorbé la chaleur rayonnante et indiquera une température sensiblement supérieure à celle de l'air. Pour éviter de telles erreurs, les déterminations précises et exactes de température nécessitent que le thermomètre soit protégé des sources de chaleur ou des parties froides, à partir desquelles ou vers lesquelles la chaleur pourrait être transférée par rayonnement, conduction ou convection. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
