thermomètre

thermomètre, instrument destiné à mesurer la température d'un corps, d'un liquide, d'un gaz ou de l'environnement ambiant. Le thermomètre constitue l'un des appareils de mesure les plus utilisés dans les sciences, l'industrie, la médecine et la vie quotidienne. Son fonctionnement repose sur l'observation d'une propriété physique qui varie de manière prévisible avec la température, comme la dilatation d'un liquide, la variation d'une résistance électrique ou la production d'une tension électrique.

L'invention des premiers thermomètres est généralement attribuée à Galileo Galilei au début du XVII^e siècle. Les modèles modernes à mercure et à alcool furent ensuite développés par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit, qui proposa également l'une des premières échelles de température largement utilisées. Dans l'échelle Fahrenheit, l'eau gèle à 32°F et bout à 212°F sous pression atmosphérique normale.

Par la suite, l'astronome suédois Anders Celsius proposa l'échelle centésimale, aujourd'hui appelée échelle Celsius, utilisée dans la majorité des pays. Dans cette échelle 0°C correspond au point de fusion de la glace et 100°C au point d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique normale.

Types de thermomètres

Il existe de nombreux types de thermomètres adaptés à des usages très variés. Tous reposent sur le principe selon lequel une propriété physique facilement mesurable varie de manière régulière avec la température. Pour qu'un thermomètre soit précis, cette variation doit être stable, reproductible et proportionnelle aux changements de température sur toute l'échelle de mesure.

Les thermomètres peuvent fonctionner grâce à la dilatation des liquides, à des phénomènes électriques, à des propriétés électroniques ou encore au rayonnement thermique émis par les objets.

Thermomètres à liquide

Les thermomètres à liquide reposent sur la dilatation thermique d'un fluide contenu dans un tube gradué. Le modèle le plus connu est le thermomètre à mercure. Celui-ci est constitué d'un réservoir rempli de mercure relié à un tube capillaire très fin et fermé hermétiquement. Lorsque la température augmente, le mercure se dilate et monte dans le tube ; lorsqu'elle diminue, il se contracte et redescend.

Le mercure fut longtemps privilégié en raison de sa dilatation régulière et de sa visibilité dans le tube de verre. Toutefois, sa toxicité a conduit à réduire progressivement son utilisation dans plusieurs pays.

D'autres liquides peuvent également être employés selon la plage de température recherchée. Les thermomètres à alcool sont particulièrement adaptés aux climats froids, car l'alcool possède un point de congélation très bas. Dans les environnements extrêmement froids, on utilise parfois du toluène ou d'autres liquides spéciaux capables de rester fluides à très basse température.

Les thermomètres à liquide sont simples, fiables et ne nécessitent aucune alimentation électrique, ce qui explique leur usage prolongé dans les laboratoires, les habitations et les installations industrielles.

Thermistances et thermocouples

Les thermomètres électriques et électroniques utilisent des propriétés électriques variant avec la température. Dans les thermomètres à résistance, la résistance électrique d'un conducteur ou d'un semi-conducteur change lorsque la température varie. Ce principe est exploité dans les thermistances, composants sensibles à la température.

Lorsqu'une tension constante est appliquée à une thermistance, la résistance mesurée dépend directement de la température du capteur. Des circuits électroniques convertissent ensuite cette variation en indication numérique lisible. Les thermistances fabriquées à partir d'oxydes métalliques de nickel, de manganèse ou de cobalt permettent de mesurer des températures comprises entre environ -46°C et 150°C.

D'autres matériaux, comme le platine, sont utilisés pour des températures beaucoup plus élevées pouvant atteindre 930°C.

Les thermocouples constituent une autre catégorie importante de thermomètres. Ils utilisent l'effet Seebeck, phénomène thermoélectrique apparaissant lorsqu'une différence de température existe entre deux métaux différents reliés ensemble. Une faible tension électrique est alors générée et peut être mesurée afin de déterminer la température.

Selon les alliages employés, les thermocouples peuvent mesurer des températures très basses ou extrêmement élevées, allant approximativement de -200°C à 2300°C.

Pour les environnements très chauds ou chimiquement agressifs, les thermocouples sont protégés par des gaines réfractaires, souvent en alumine. Afin d'augmenter le signal électrique produit, plusieurs thermocouples peuvent être assemblés en série pour former une thermopile.

Les thermistances et les thermocouples possèdent généralement des capteurs très petits, souvent inférieurs à trois centimètres, ce qui leur permet de réagir rapidement aux variations thermiques. Cette rapidité les rend particulièrement utiles en biologie, en électronique, dans les procédés industriels et dans les systèmes automatisés de contrôle de température.

Aujourd'hui, les thermomètres modernes existent également sous forme infrarouge, numérique ou laser, permettant des mesures sans contact et une grande précision. Grâce aux progrès de l'électronique et de la métrologie, les thermomètres jouent désormais un rôle indispensable dans les sciences, la médecine, l'ingénierie et les technologies contemporaines.

Thermomètres de précision

Les thermomètres de précision sont des instruments spécialement conçus pour effectuer des mesures thermiques extrêmement fiables dans des domaines scientifiques, industriels ou techniques exigeants. Parmi eux figure le pyromètre optique, appareil permettant de mesurer la température d'objets très chauds sans contact direct avec ceux-ci. Ce type de thermomètre est particulièrement utile lorsque les températures deviennent trop élevées pour les thermomètres à liquide ou les capteurs classiques.

Le pyromètre optique est principalement utilisé pour mesurer les températures supérieures à 700°C.

À de telles températures, les corps solides chauffés émettent un rayonnement visible suffisamment intense pour que leur température puisse être estimée à partir de leur couleur d'incandescence. Lorsqu'un matériau est chauffé progressivement, sa couleur change selon une séquence caractéristique : il devient d'abord rouge sombre, puis rouge vif, orange, jaune et enfin blanc à très haute température.

Vers 1300°C les objets fortement chauffés prennent généralement une teinte blanchâtre très lumineuse. Ce phénomène constitue la base du fonctionnement du pyromètre optique.

L'appareil contient un filament semblable à celui d'une ancienne ampoule électrique à incandescence. Ce filament est chauffé par un courant électrique contrôlé au moyen d'un rhéostat calibré. En faisant varier l'intensité du courant, l'opérateur modifie la couleur et la luminosité du filament jusqu'à ce qu'elles correspondent exactement à celles de l'objet observé.

La mesure s'effectue en regardant l'objet incandescent à travers le pyromètre. Lorsque le filament devient pratiquement invisible sur le fond lumineux de l'objet, cela signifie que les deux présentent la même température apparente. La température peut alors être lue directement sur l'échelle graduée associée au rhéostat.

Les pyromètres optiques furent longtemps utilisés dans les hauts-fourneaux, les fonderies, les verreries et les laboratoires métallurgiques. Les modèles modernes utilisent désormais des détecteurs électroniques et des capteurs infrarouges capables d'effectuer des mesures très rapides et très précises sans nécessiter d'observation visuelle directe.

Les thermomètres de précision comprennent également d'autres dispositifs spécialisés, comme les thermomètres à résistance au platine, les pyromètres infrarouges et certains systèmes utilisant des capteurs laser. Ces instruments sont capables de mesurer des variations thermiques extrêmement faibles et sont indispensables dans les laboratoires scientifiques, la recherche spatiale, l'industrie chimique et les procédés industriels automatisés.

Thermomètres à maximum et à minimum

Certains thermomètres sont conçus non seulement pour mesurer une température instantanée, mais également pour enregistrer les températures extrêmes atteintes pendant une période donnée. Ces appareils sont appelés thermomètres à maximum et à minimum. Ils sont très utilisés en météorologie, en médecine, dans l'industrie alimentaire et dans la surveillance des équipements techniques.

Le thermomètre médical traditionnel à mercure constitue un exemple classique de thermomètre à maximum. Dans ce dispositif, un étranglement très fin est aménagé dans le tube capillaire entre le réservoir de mercure et la colonne principale. Lorsque la température du corps augmente, le mercure se dilate et franchit cet étranglement. Après la mesure, lorsque la température redescend, le mercure reste bloqué dans le tube et conserve l'indication maximale atteinte.

Pour remettre l'instrument à zéro, il faut secouer vigoureusement le thermomètre afin de forcer le mercure à retourner dans le réservoir. Ce principe permet de conserver la température mesurée même après le retrait du thermomètre.

Dans les stations météorologiques, les thermomètres à maximum et à minimum servent à enregistrer les températures les plus élevées et les plus basses atteintes au cours d'une journée. Ces informations sont importantes pour l'étude du climat, la prévision météorologique et l'agriculture.

Dans le domaine industriel et alimentaire, les systèmes de contrôle thermique utilisent souvent des indicateurs irréversibles permettant de détecter le dépassement d'une température critique. Certaines pastilles ou bandes thermosensibles changent définitivement de couleur lorsqu'une température donnée est atteinte. Ces dispositifs sont particulièrement utiles pour surveiller les chaînes du froid.

Les interruptions de la chaîne du froid peuvent en effet favoriser le développement de micro-organismes pathogènes dans les aliments congelés ou réfrigérés. Les indicateurs thermiques irréversibles permettent ainsi de vérifier si des produits sensibles ont été exposés à des températures dangereuses pendant leur transport ou leur entreposage.

Les thermomètres à maximum et à minimum sont également employés dans les moteurs, les turbines, les installations électriques et les équipements industriels afin de détecter les surchauffes susceptibles d'endommager les machines. Grâce aux progrès de l'électronique, de nombreux dispositifs modernes enregistrent aujourd'hui automatiquement les températures extrêmes dans des mémoires numériques et transmettent les données à distance pour leur analyse et leur surveillance continue.