Historique: mesure des températures

Première approche
Le vocabulaire permet de créer une échelle de température. Il a permis d'exprimer un "niveau de chaleur" avant même que les échelles de température ne soient inventées.
Q1: Reproduire l'échelle ci-contre et y placer le vocabulaire défilant de manière à obtenir une échelle de température.
chaud glacial frais tiède brûlant froid bouillant gelé
Q2: Quel(s) sens permett(en)t d'évaluer ce "niveau de chaleur"?
Réaliser l'expérience ci-contre où: - un élève plonge une main successivement dans de l'eau très froide, puis dans l'eau tiède, - un autre élève plonge une main successivement dans de l'eau chaude, puis dans l'eau tiède.
Q3: Donner les conclusions de chaque élève. Q4: Le sens du toucher permet-il une évaluation fidèle de la température de l'eau?

Les thermoscopes antiques
Au milieu du III^ème siècle avant notre ère, un ingénieur d'Alexandrie, Philon de Byzance, imagina un appareil permettant de détecter un réchauffement de l'air. Il avait donc inventé le thermoscope.		Après avoir exposé son ballon au soleil, il observait le phénomène ci-contre. Puis en plaçant le ballon à l'ombre, de l'eau remontait dans le ballon. Par contre, sa conclusion nous paraît aujourd'hui bien curieuse: "Le feu est étroitement associé à l'air. De plus, il l'attire." Q5: Expliquer les bulles d'air et la remontée de l'eau dans le ballon.
Un siècle avant notre ère, Héron d'Alexandrie, ingénieur lui aussi, construisit un autre thermoscope.		Après exposition au soleil, l'eau monte dans le tube en U et se déverse dans l'entonnoir. (schéma) Mis à l'ombre, le thermoscope revient dans son état initial, la quantité d'air restant toujours la même. Pour Héron, la diminution du volume de l'air du ballon placé à l'ombre "était dû à des fuites à travers les pores du ballon." Q6: Expliquer les mouvements de l'eau lors de l'exposition au soleil.
Finalement, ni Philon, ni Héron ne comprenaient le dispositif qu'ils avaient conçu.

Voir le niveau de la température
	Galilée inventa le thermoscope en 1597. (voir ci-contre) Le liquide utilisé était l'alcool. Q7: Qu'observe-t-on dans le thermoscope lorsque la température augmente? Q8: Sur quel phénomène physique est basé le thermoscope? Q9: Pourquoi ne peut-on nommer cet appareil thermomètre?

Il semble que cette invention fut attribuée à tord à Galilée. Le médecin Santorio de Padoue utilisa cet appareil comme thermomètre. Mais il ne divulga son invention qu'en 1612 et la décrivit en 1630. Ses malades plaçaient la boule dans la bouche ou dans la main. D'après le niveau du liquide dans le tube, il en déduisait le "degré de chaleur" de ses malades.	Santorio avait gradué le tube: une graduation avait été tracée quand la boule était entourée de neige, une autre graduation avait été tracée lorsque la boule était chauffée par une bougie, entre les deux, il graduait en subdivisions égales.	Q 10: Pourquoi peut-on parler de thermomètre et non plus de thermoscope?

Le premier thermomètre

Mais le thermomètre à air de Santorio présentait l'inconvénient de donner des résultats qui variaient avec la pression atmosphérique du moment: une augmentation de la pression atmosphérique faisait monter le niveau du liquide dans la colonne graduée.

C'est à Florence que fut réalisé le premier thermomètre à liquide. Ferdinand II de Médicis utilisa l'alcool dans un réservoir surmonté d'un tube fin fermé à son extrémité.
Il comportait 50 graduations.

Thermomètre de Florence

Q 11: Pourquoi le thermomètre de Ferdinand II ne dépend-il pas de la pression atmosphérique?

Q 12: Quel phénomène est utilisé dans le thermomètre de Ferdinand II?

Des échelles de température

C'est à Florence, en 1702, que fut construit le premier thermomètre "classique". Un Danois, Ole Roemer, adopta les graduations suivantes la graduation soixante pour l'eau bouillante est un héritage de la numération mésopotamienne. le huitième de la graduation était réservé aux températures correspondant au gel, de manière à éviter les températures négatives.	En 1717, Fahrenheit, en contact avec Roemer, contruisit le premier thermomètre à mercure qui suit une loi de dilatation plus régulière. Il adopta pour son échelle les valeurs: 32 °F pour la glace fondante et 96 °F pour le sang. Finalement, ce sont les constructeurs qui adopteront: 212 °F pour l'eau bouillante.	Un Français, Réaumur, utilisa une échelle ayant comme points fixes: 0 °R pour la glace fondante, 80 °R pour l'eau en ébullition. Bien que connaissant le défaut de l'alcool, il le préféra au mercure, car il est plus dilatable. Ses thermomètres dépassaient en général 1 mètre de hauteur.	On doit à un physicien suédois l'échelle centésimale. Celsius, réalisa en 1741 un thermomètre à mercure utilisant les points fixes: 0 °C dans la glace fondante, 100 °C pour l'ébullition de l'eau. Les graduations sont prolongées au-dessus et en dessous par des graduations équidistantes. A la suite de la révolution française et de l'adoption du système métrique cette échelle centésimale fut adoptée en 1794.
Q 13: Pourquoi l'eau n'est-elle pas utilisée dans les thermomètres?	Q14: Pourquoi les fabricants ont-ils préféré la température de l'eau bouillante au sang comme point fixe?

L'échelle Kelvin

Plus la température est élevée, plus l'agitation des molécules ou des ions est importante. On conçoit qu'à force de refroidir la matière, on peut arriver à l'immobilité absolue des atomes, des ions ou des molécules:

On a alors atteint le zéro absolu: -273,15°C.

On parvient à s'en approcher beaucoup, à un millionnième de degré, mais l'atteindre exactement est impossible, du fait qu'il est impossible d'isoler parfaitement.

La température absolue s'exprime en kelvins.

Q 15: Reproduire les échelles de température ci-contre en remplaçant les points d'interrogation.

Compléter la relation entre t (°C) et T (K).

T = .................

Remarque: il n'y a pas de limite aux températures supérieures.

Quelques thermomètres usuels

Météorologie: Le météorologue est très intéressé par les températures maximales et minimales. Le réservoir est ici rempli d'alcool coloré. Une mince colonne de mercure est entraînée par la dilatation de l'alcool. L'index de fer flotte sur le mercure et reste dans la position la plus haute qu'il atteint.		Q 16: Expliquer pourquoi on peut lire la température du moment de chaque côté. Combien lit-on sur ce thermomètre? Q 17: De quel côté l'index indique-t-il la température maximale atteinte? Q 18: Pourquoi l'autre index indique-t-il la température minimale atteinte? Q 19: Comment peut-on faire pour ramener les index contre le mercure?
Thermomètre médical: Le thermomètre le plus utilisé au XX^ème siècle fut un thermomètre à mercure (ci-contre). Il n'est plus commercialisé du fait que les vapeurs de mercure sont dangereuses. Il est très difficile de récupérer le mercure d'un thermomètre brisé.		Q 20: Expliquer pourquoi le thermomètre médical doit être secoué avant une nouvelle utilisation.
Thermomètre ludique dit "de Galilée" Le liquide contenu dans le thermomètre est responsable d'une poussée d'Archimède. Si la poussée l'emporte sur le poids, la boule remonte; si le poids l'emporte, la boule coule. Si la température augmente, le liquide se dilate et devient moins dense. La poussée d'Archimède, égale au poids du liquide déplacé, diminue alors. Il se peut alors qu'une des boules descende.		Q 21: que va-t-il se passer si la température chute à 21°C?
Thermomètre d'aquarium: L'électronique permet aujourd'hui l'emploi de capteurs et un affichage par cristaux liquides.
Thermomètre médical sans mercure: L'utilisation du mercure dans les thermomètre est interdite en France depuis 1998. Ses vapeurs sont dangereuses et la pollution par le mercure est redoutée. Des thermomètres à infrarouge à affichage à cristaux liquides utilisés par le corps médical ont sans doute un grand avenir pour remplacer les traditionnels thermomètres à mercure. Le capteur, placé devant l'oreille, capte les infrarouges émis par le tympan. La température s'affiche instantanément.		Un autre thermomètre sans mercure.
Thermomètre à bilame La plupart des thermomètre à aiguille contiennent un bilame (nom m. ou f.). Un bilame est constitué de deux lames métalliques soudées. L'un des métaux est plus dilatable que l'autre. Lorsqu'on chauffe un bilame, il se courbe. Le phénomène est amplifié et sert à déplacer une aiguille sur un cadran.		Expérience: Les paquets de cigarettes contiennent une feuille de papier recouvert d'aluminium. On en trouve aussi autour de certaine plaquettes de chocolat (je préfère ;-))). Placer un rectangle découpé dans cet emballage sur une plaque chauffante et observer. Q 22: Lequel des deux matériaux se dilate le plus? Justifier par un schéma.
Thermomètre enregistreur Un stylet inscrit la courbe de température sur un papier millimétré. Le cylindre recevant le papier millimétré fait un tour en 24 heures.		Ces thermomètres conviennent bien pour surveiller la température de locaux. Toutefois, des capteurs reliés à un système informatique remplacent actuellement ces appareils.

Les hautes températures
La lave en fusion donne toutes les nuances de l'incandescence, du rouge sombre au jaune brillant. Cette variété des teintes traduit les différences de température entre plusieurs points de la coulée. Les vulcanologues utilisent des thermomètres très particuliers, comme les métallurgistes. Q 20: La température de surface des étoiles dépasse souvent 2000°C (5600 pour le Soleil). Quelle couleur prennent les étoiles très chaudes, dont la température de surface atteint ou dépasse 10000°C?	Q 23: Citer des exemples où l'on peut observer une substance incandescente, comme ci-dessus.	Ci-contre des teintes de la lave incandescente classées du moins chaud au plus chaud. Le rouge sombre correspond à 700-800°C. On peut donc estimer la température d'après la couleur.
Pour mesurer des températures jusqu'à 2000 °C, on utilise des thermomètres à thermocouple. La sonde comporte des métaux soudés. Il en résulte une tension qui dépend de la température. Q 24: En dehors des vulcanologues, qui pourrait utiliser ce genre de thermomètre?

Température et rayonnement
De même que les corps incandescents émettent de la lumière, tous les corps chauds émettent des rayonnements. Notre corps émet ainsi des rayonnements infrarouges. A condition d'utiliser une pellicule infrarouge, on peut photographier dans le noir des corps chauds. les parties les plus chaudes émettent plus de rayonnement infrarouge.
Q 25: Repérer sur la photographie infrarouge ci-dessous prise de nuit les zones les plus chaudes et les moins chaudes. En astronomie, il faut utiliser le détecteur approprié pour observer un astre en fonction des rayonnements qu'il émet et donc de sa température. Q 26: Si on utilise un détecteur de rayons X, pourra-t-on voir les planètes? les étoiles? les supernovae?