La thermométrie
La thermométrie : mesure de la température et histoire des échelles thermométriques
La thermométrie est la science qui se consacre à la mesure de la température, une grandeur physique fondamentale liée à l'agitation thermique des particules constituant la matière. L'histoire de la thermométrie est riche d'inventions et de perfectionnements, depuis les premiers thermoscopes jusqu'aux thermomètres numériques actuels.
Les premiers thermomètres et les échelles historiques
Les premiers instruments de mesure de la température étaient des thermoscopes, qui indiquaient simplement une variation de température sans pouvoir la quantifier. C'est Santorio de Padoue qui, au 17ᵉ siècle (1612), inventa le premier thermoscope, utilisant la dilatation d'un liquide pour indiquer la température.
Il faudra attendre le 18° siècle pour voir apparaître le premier thermomètre. C'est René-Antoine Ferchault de Réaumur qui inventa le premier thermomètre à alcool, en 1730.
Échelles de température historiques :
- Fahrenheit : L'échelle de Fahrenheit, proposée au 18ᵉ siècle, était basée sur deux points fixes : la température d'un mélange eau-sel et la température du sang humain. Ces points fixes se sont révélés peu précis et peu reproductibles.
- Celsius : L'échelle Celsius, initialement inversée par rapport à l'échelle actuelle, utilisait comme points fixes la température d'ébullition et de fusion de l'eau. Cependant, la température d'ébullition de l'eau varie avec la pression atmosphérique, ce qui limite la précision de cette échelle.
Le problème de l'échantillonnage
La mesure de la température soulève plusieurs défis :
- Équilibre thermique : Il est essentiel que le thermomètre soit en équilibre thermique avec l'objet à mesurer pour obtenir une valeur précise.
- Homogénéité de la température : La température peut varier spatialement au sein d'un système.
- Influence du thermomètre sur la mesure : Le processus de mesure peut lui-même modifier la température de l'objet.
Phénomènes thermométriques et échelles de température
La thermométrie exploite différents phénomènes physiques liés à la température, tels que la dilatation des corps, la variation de la résistance électrique ou l'émission de rayonnement. Ces phénomènes doivent être :
- Fidèles : La variation de la propriété physique doit être proportionnelle à la variation de température.
- Spécifiques : La propriété ne doit dépendre que de la température.
- Sensibles : La variation de la propriété doit être suffisamment grande pour être détectée.
- Reproductibles : Les mesures doivent être répétables dans les mêmes conditions.
Les échelles de température sont construites en choisissant deux points fixes et en définissant une relation linéaire entre la grandeur thermométrique et la température. Les échelles centésimales divisent l'intervalle entre les deux points fixes en 100 parties égales. L'échelle Celsius en est un exemple.
L'échelle de température absolue : le Kelvin
L'échelle de température absolue, ou échelle Kelvin, est basée sur le concept de zéro absolu, température théorique à laquelle l'agitation thermique des particules est nulle. Le Kelvin est l'unité de température du Système International (SI).
Les avantages de l'échelle Kelvin sont :
- Universalité : Elle est indépendante de la substance utilisée pour la mesure.
- Relation directe avec l'énergie cinétique : La température en Kelvin est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des particules.
Points fixes et étalonnage
Pour assurer la précision des mesures de température, des points fixes de température ont été définis. Ces points fixes correspondent à des états d'équilibre thermodynamique bien définis, tels que la température de fusion de l'eau pure sous une pression donnée.
Conclusion
La thermométrie est une discipline essentielle pour la science et l'industrie. L'évolution des thermomètres et des échelles de température a permis d'affiner considérablement les mesures de température et d'élargir le champ d'application de cette technique. Les progrès technologiques continuent de pousser les limites de la mesure de la température, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines.