La Température
Évaluer une température
La température n'est pas une grandeur au sens strict du terme, comme le sont la plupart des autres unités de mesure.
En effet, une grandeur est tout ce qui est susceptible d'augmentation ou de diminution comme, par exemple, une longueur, une surface, une puissance, etc. Mesurer une grandeur G (quelle que soit son espèce), c'est la comparer à une autre grandeur U, de même espèce, choisie pour unité. Le résultat de la mesure est un nombre entier (par exemple 5) si l'unité U est contenue un nombre entier de fois dans la grandeur G considérée (5 fois ici). Une grandeur est directement mesurable quand nous pouvons définir le rapport ou l'égalité ou la somme de deux valeurs de cette grandeur. Une longueur, une surface sont des grandeurs mesurables. En revanche, une température repérée au moyen de l'échelle thermométrique Celsius n'est pas une grandeur mesurable ; nous pouvons définir l'égalité de deux températures mais nous ne pouvons pas en faire la somme.
On devrait donc dire : évaluer, comparer, marquer, indiquer les températures et non pas les mesurer au sens propre du terme.
La température, au sens ordinaire du mot, se présente à nous comme une valeur susceptible d'augmentation ou de diminution, caractérisant l'état d'un corps au point de vue des échanges possibles de chaleur entre ce corps et les corps extérieurs. Nos sens nous donnent la notion de corps chauds et de corps froids. Quand un corps froid est mis en présence d'un corps chaud, le premier s'échauffe, le second se refroidit : il y a transmission de chaleur du second au premier.
Cette transmission ne cesse - si les deux corps sont seuls en présence - que quand ils sont arrivés, au point de vue calorifique, au même état : on dit qu'ils sont alors à la même température. Un corps plus chaud est dit à température supérieure. On a ainsi défini l'égalité et l'inégalité de température.
Mais pour apprécier cette égalité ou cette inégalité avec quelque précision, nos sens sont insuffisants, et l'on a recours à des instruments spéciaux : les thermomètres.
Le premier thermomètre
Galilée fut, semble-t-il, le premier inventeur d'un système d'évaluation de la température. Imaginé pour la première fois vers 1593, le thermomètre de Galilée est un objet simple basé uniquement sur la modification de volume d'un liquide en fonction de la température (dilatation). Le premier thermomètre de Galilée était sans doute très proche de celui à spirale en verre représenté sur la photo ci-contre. Ce thermomètre contient de l'alcool et le long tube de verre est gradué afin de pouvoir comparer des températures. En fonction de la température, l'alcool se contracte - le niveau baisse - ou se dilate - le niveau augmente. Il fut utilisé lors d'expériences de l'Accademia del cimento (Académie de l'expérience), fondée en 1650 par Viviani, disciple et biographe de Galilée.
Les thermomètres à alcool actuels (niveau de couleur bleu ou rouge) fonctionnent exactement selon ce même principe. La seul différence est que l'on sait actuellement fabriquer des tubes très fins ce qui n'était pas le cas du temps de l'Academia del cimento.
Un autre type de thermomètre de Galilée existe toujours, mais plutôt comme objet de décoration. Ce thermomètre repose sur le principe d'Archimède du à la variation de densité des liquides en fonction de leur température. Sensible à l'évolution de la température d'une pièce, le liquide contenu dans le cylindre se dilate ou se contracte. Chaque boule a été pesée très précisément afin que sa masse soit en équilibre avec la densité du liquide lorsque la température indiquée sur son médaillon est atteinte. Lorsque c'est le cas, la boule est immobile, en suspension. Lorsque la température ambiante diminue, le liquide devient plus dense et les boules, plus légères, commencent à migrer une par une vers le haut. Lorsque la température augmente, le phénomène inverse se produit.
La différence entre les boules tient à leurs masse : entre la boule indiquant 20 °C et celle montrant 21 °C il y a une différence d'environ 1 milligramme. La température ambiante est indiquée par la sphère la plus proche du fond sans toutefois le toucher. Dès que les boules atteignent le fond, la température sera indiquée par la boule immédiatement au dessus. Toutes les ampoules internes au tube ont le même volume mais ont toutes des masses différentes de telle sorte que le poids de l'ampoule de masse m i est juste compensé par la poussée d'Archimède exercée par le fluide à la température Ti. En principe, ce genre de thermomètre est limité dans une plage de 16 à 30 °C.
Masse volumique et densité
La Densité est le rapport
exprimé en nombre décimal de la masse volumique de ce corps à celle
d'un corps pris pour référence : en général, l'eau pour les
solides et les liquides et l'air pour les gaz. C'est un nombre abstrait
anciennement nommé densité relative.
À ne pas confondre avec la Masse Volumique qui, elle, s'exprime en kg/m3
Les unités de température
Il existe actuellement, dans le Système International, deux unités de température :
Le kelvin, symbole K
Degré de l'échelle thermodynamique des températures absolues dans laquelle la température du point triple de l'eau est 273,16 K
Le degré Celsius, symbole °C
La température Celsius t correspondant à la température thermodynamique T est définie par l'équation t = T - T0 dans laquelle T0 = 273,15 K.
Un intervalle ou une différence de température peut aussi s'exprimer en degré Celsius.
Dans les siècles passés, plusieurs échelles de mesure des températures furent définies, basées sur deux points fixes ou plus.
Le degré Fahrenheit
La première échelle à être universellement reconnue, fut celle de Gabriel Fahrenheit, un Hollandais, qui, au début du XVIIIe siècle, fabriqua des thermomètres au mercure qui permettaient de mesurer les températures de manière fiable et répétitive. Son échelle reposait sur deux points :
- Le point bas représentait la température la plus basse que Fahrenheit pouvait reproduire et qu'il nomma "zéro degré". Elle était donnée par un mélange de glace et de sel. Cette température correspond à environ - 17,8 °C.
- Le point haut représentait la température du sang humain qu'il nomma "96 degrés". Cette température correspond à environ 35,5 °C.
Pourquoi 96 et pas 100 degrés ? Sans doute parce que beaucoup d'unités anglaises étaient sur une base dodécadécimale et que le système métrique en était à ses premiers balbutiements. Quoi qu'il en soit, dans la glace fondante, un thermomètre Fahrenheit indique 32 °F et 212 °F à l'ébullition de l'eau.
Le dégré Celsius
Le physicien suédois Anders Celsius (1701-1744) fit construire en 1741 un thermomètre à mercure, qui marquait 0 degré au point d'ébullition et 100 au point de congélation de l'eau et qui fut utilisé de 1742 à 1750 à l'observatoire scandinave d'Uppsala (Upsal en français). En 1745, Linné présenta à l'Académie suédoise des sciences un thermomètre à mercure à échelle centésimale ascendante ayant le zéro au point de congélation de l'eau. À la même époque, le secrétaire perpétuel de l'Académie des beaux-arts de Lyon, Jean-Pierre Christin (1683-1755), faisait construire par l'artisan lyonnais Pierre Casati un thermomètre à mercure à échelle centésimale ascendante, qu'il présenta le 19 mars 1743 à l'assemblée publique de cette académie.
Le thermomètre suédois et le thermomètre de Lyon n'auraient eu qu'une utilisation restreinte si la Révolution Française n'avait donné au monde moderne le système métrique, et si la Commission des poids et mesures, créée par la Convention, n'avait décidé en 1794 que "le degré thermométrique sera la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l'eau bouillante". En octobre 1948, à la suite d'une décision de la IXe Conférence des poids et mesures, le degré centésimal a pris le nom de degré Celsius.
Le kelvin
William Thomson, connu sous le nom de lord Kelvin contribua, de manière durable à la thermodynamique. Après la dissertation de S. Carnot sur la chaleur et les travaux expérimentaux de J. Joule, la première loi de la thermodynamique put être explicitée, et, en 1850, R. Clausius fut conduit à poser pour principe que la chaleur ne peut d'elle-même passer d'un corps froid à un corps chaud. Thomson montra qu'en se fondant sur le système de Carnot il était possible de définir une échelle opératoire de température, indépendante des propriétés du système mis en œuvre. Ainsi fut construite l'échelle thermométrique « absolue » ou graduation Kelvin.
Il faut noter que le kelvin doit être utilisé ni avec le mot degré, ni avec le symbole ° ; on dit "un kelvin" et non pas un degré kelvin.
Le degré Rankine
L'échelle Rankine (°R) n'est que la transposition en degré Fahrenheit de l'échelle des températures absolues Kelvin, nommée ainsi en l'honneur d'un pionnier de la thermodynamique : William John Macquorn Rankine (1820-1872). Le °R est égal à la température en °F + 459,67.
Le dégré Réaumur
Citons, pour mémoire, René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) qui fut amené à inventer, vers 1730, à cause de l'imprécision des mesures employées, le thermomètre à alcool qui porte son nom. Bien qu'il ait été détrôné plus tard par le thermomètre Celsius, il constitua un notable progrès au XVIIIe siècle. Son échelle fut fixée, en 1732 à zéro degrés pour la température de fusion de la glace et à 80 degrés pour l'ébullition de l'esprit-de-vin (alcool).
Pendant une certaine période, le thermomètre de Réaumur a désigné des instruments où la température d'ébullition de l'eau se trouvait à une division comprise entre 80 et 100 degrés Réaumur. Cette constatation conduisit, en 1772, le physicien genevois Jean-André Deluc (1727-1817) à proposer une division en 80 parties de l'intervalle fondamental du thermomètre Réaumur dans les pays l'ayant adopté. Les constructeurs français normalisèrent peu à peu leur échelle suivant cette proposition, mais le renom laissé par Réaumur était alors si grand qu'ils lui donnèrent son nom. Son usage dura jusqu'au tout début du XXe siècle en Allemagne méridionale, en Espagne, en Russie et en Amérique du sud.
Vers la graduation centésimale
Durant le siècle qui a suivi l'invention du thermomètre, une soixantaine de graduations différentes avaient vu le jour, ainsi que le précise le physicien batave Jan Hendrik Van Swinden (1746-1823) dans la Dissertation sur la comparaison des thermomètres, publiée en 1778. La normalisation allait bientôt se réaliser en Europe continentale suivant une graduation centésimale.
Points fixes de température et points-triples
L'ITS (International Temperature Scale) a établi dix-sept points de référence de température, basé sur le phénomène physique du point triple de différents matériaux.
Le point triple est le point des intersections des courbes d'évaporation, de sublimation et de fusion d'un matériau. C'est Josiah W. Gibbs (1839-1903) qui reconnaît et énonce la règle des phases : les trois états, solide, liquide et gazeux ne coexistent qu'en un point unique de l'espace des paramètres thermodynamiques, le point triple. On pourra trouver ensemble de la vapeur, du liquide et du solide à une température et une pression uniques, parfaitement définies.
| Élément | Symbole | Type | K | °C |
|---|---|---|---|---|
| Hélium | He | Pression de vapeur | 5 | -268.15 |
| Hydrogène | H2 | Point triple | 13.8033 | -259.3467 |
| Hydrogène | H2 | Pression de vapeur | 17 | -256.15 |
| Hydrogène | H2 | Pression de vapeur | 20.3 | -252.85 |
| Néon | Ne | Point triple | 24.5561 | -248.5939 |
| Oxygène | O2 | Point triple | 54.3584 | -218.7916 |
| Argon | Ar | Point triple | 83.8058 | -189.3442 |
| Mercure | Hg | Point triple | 234.315 | -38.8344 |
| Eau | H2O | Point triple | 273.16 | 0.01 |
| Gallium | Ga | Fusion | 302.9146 | 29.7646 |
| Indium | In | Congélation | 429.7485 | 156.5985 |
| Étain | Sn | Congélation | 505.078 | 231.928 |
| Zinc | Zn | Congélation | 692.677 | 419.527 |
| Aluminium | Al | Solidification | 933.473 | 660.323 |
| Argent | Ag | Congélation | 1234.93 | 961.78 |
| Or | Au | Congélation | 1337.33 | 1064.18 |
| Cuivre | Cu | Congélation | 1357.77 | 1084.62 |
Diversité des mesures à effectuer
Bien que pouvant suffire dans beaucoup de cas de mesures de températures, certains types étant prècis à mieux que le dixième de °C, - thermomètre médical par exemple - les thermomètres à alcool sont limitée à une plage comprise d'environ - 35 °C à + 70 °C.
Pour effectuer des mesures de température :
- Avec une large étendue de mesure,
- Dans des endroits éloignés,
- Supérieure à la température d'ébullition de l'alcool,
- Hors de la vue de l'expérimentateur,
- Dans des endroits dangereux ou nocifs,
- etc.
Il est nécessaire d'utiliser d'autres systèmes tels que :
- Les Thermocouples
- Les RTD (Resistance Temperature Detector) ou Sondes Platine
- Également nommé PRTD (Platin Resistance Temperature Detector)
- Les Thermistances
- les Capteurs intégrés
Tous ces systèmes de mesure sont utilisés en aéronautique :
- Sondes platine : évaluations des températures d'air extérieur, d'air de la cabine, d'huile des moteurs
- Thermocouples : températures des différents étages des réacteurs
- Capteurs intégrés : températures internes des équipements
- Thermistances : seuils d'alarme de niveau de carburant
