Thermomètre

Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.

Principes généraux

Thermomètre à chocolat

La plupart des thermomètres mesurent leur propre température (celle de sa partie qui sert à faire la mesure). Cette température n'est celle du milieu ambiant que s'il y a équilibre thermique entre le thermomètre et le milieu ambiant.

Cela signifie par exemple, que si un thermomètre est exposé au soleil, il sera plus chaud que l'air, et que cet écart de température dépendra entièrement de sa couleur et de sa ventilation, et donc qu'une température mesurée dans ces conditions est totalement fantaisiste par rapport à la température de l'air. (C'est pour cela que les météorologues mesurent la température sous abri ventilé.)

La mesure des températures peut être fondée sur la dilatation et la pression des corps (solides, liquides ou gazeux), ou toute autre propriété physique (variations électriques dans le cas du thermocouple, couleur d'émission de lumière pour les hautes températures, ...) qui varie en fonction de la température. Ce principe général est mis en application de façons très diverses selon les besoins (plages de températures à mesurer, nature des matériaux à étudier, ...). Les thermomètres à liquide usuels sont les thermomètres à mercure et les thermomètres à alcool, mais il est également possible de trouver des thermomètres à l'huile de colza.

Les applications des thermomètres sont multiples, en météorologie, en médecine, en cuisine, pour la régulation, dans les processus industriels, etc.

Histoire

Invention du thermomètre

Le premier thermomètre a été inventé en 1654 par le duc de Toscane à Florence.

Il portait 50 graduations. En hiver, il descendait jusqu'à 7 degrés et montait, en été, à 40 degrés. Dans la glace qui fond, il montrait 13 degrés.

Les progrès au XVIII^e siècle

Thermomètre affichant les échelles de Fahrenheit, encore en usage aux États-Unis, et de Celsius, comprise dans le système international d'unités.

C'est dans le courant du XVIII^e siècle que les inventions de différents types de thermomètre prennent leur essor dans plusieurs pays d'Europe.

En 1702, l'astronome Ole Roemer fabrique, au Danemark, un thermomètre à alcool marquant l'eau bouillante à 60 ° et la glace pilée à 7,5 °. En 1717, le savant allemand Daniel Gabriel Fahrenheit remplace l'alcool par du mercure et donne au thermomètre sa forme définitive. Il propose également la première échelle de températures à être adoptée assez largement, fixant à 32 °F la température de la glace fondante et à 96 °F la température normale du sang : 32 °F est alors le point de fusion de la glace et 212 °F est le point d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique normale.

En 1730, René-Antoine Ferchault de Réaumur, physicien et naturaliste français, construit un thermomètre à 'esprit de vin' (ancienne dénomination de l'éthanol), pour lequel il utilisait l'échelle 0-80, le zéro étant le point de congélation de l'eau, et le 80 est le point d'ébullition de l'alcool (esprit de vin), que Réaumur tendait à confondre avec le point d'ébullition de l'eau^[1].

Le physicien suédois Anders Celsius fit construire en 1741 un thermomètre à mercure, gradué de sorte que 0 correspondait au point d'ébullition de l'eau, et 100 au point de congélation de l'eau, qui fut utilisé de 1742 à 1750 à l’observatoire d’Upsal.

L'échelle de Celsius était donc graduée en sens inverse de l'échelle centigrade que nous connaissons actuellement. Ce n'est qu'après la mort de Celsius, survenue en 1744, que ses collègues —on pense que l'initiative en revient surtout au célèbre naturaliste suédois Carl von Linné— inversèrent l'échelle de Celsius pour lui donner sa forme actuelle, à savoir 0 pour la température de congélation de l'eau, et 100 pour sa température d'ébullition. De fait, en 1745, Linné présenta à l'académie suédoise un thermomètre à mercure qui marquait 0 ° pour la glace fondante et 100 ° pour l'eau bouillante.

À la même époque, le secrétaire perpétuel de l’académie des Beaux-Arts de Lyon, Jean-Pierre Christin (1683-1755), fit 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 de Celsius et le thermomètre lyonnais de Casati 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[it] la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l’eau bouillante ».

Types de thermomètres d'usage courant

Thermomètres pour l'usage domestique

Thermomètres médicaux

Ils sont utilisés pour la mesure de la température corporelle (rectale, sous l'aisselle, dans l'oreille, ou buccale).

Pendant longtemps la température corporelle n'a fait l'objet d'aucune mesure : la main du praticien seule donnait une appréciation de l'importance de la fièvre au demeurant perçue, non comme un symptôme, mais comme une maladie en elle même. C'est Sanctorius, de Padoue, qui a employé pour la première fois un appareil pour mesurer la fièvre : il utilisa le thermoscope développé par Galilée en plaçant le globe dans la bouche du patient.

La compréhension des différents états de la température corporelle, initiée véritablement par les travaux d'Hermann Boerhaave et ses élèves, puis par ceux de John Linning et de Benjamin Franklin, devra toutefois attendre le XIX^e siècle. Du fait de la faible corrélation entre la fièvre et les symptômes, les praticiens recourront longtemps à la prise de pouls pour apprécier la fièvre^[2]. En 1835 d'abord, Antoine Becquerel et Gilbert Breschet démontrent, à l'aide d'un thermocouple de fer et de cuivre^[2], que la température d'un corps humain sain est constante à 37 °C. Cette découverte suscita l'intérêt pour l'utilisation médicale du thermomètre^[3]. Mais c'est surtout Carl Wunderlich qui, suite à ses très nombreuses observations, permit le développement de la thermométrie clinique : d'une part il révolutionna la compréhension de la fièvre en tant que telle, vue désormais comme un symptôme et non plus comme une maladie stricto sensu ; en outre, il démontre l'intérêt des courbes de température.

Si l'usage du thermomètre auprès du corps médical, puis de la population en général, se développa rapidement aux États-unis^[4] sous l'impulsion notamment d'Édouard Séguin, il ne se répandit en France qu'au cours de la Première Guerre mondiale^[5].

Thermomètre à mercure

Thermomètre médical, ancien modèle à mercure

Les thermomètres à mercure, longtemps en usage, ont été progressivement retirés de la vente à cause de la toxicité de ce métal.

Thermomètre médical numérique

Il a remplacé le thermomètre à mercure. Il contient des oxydes métalliques à résistance variable en fonction de la température (thermistor). Ce principe permet une mesure précise sur une gamme de température étroite, bien adapté à l'usage médical.

Thermomètre à alcool

L'alcool a remplacé le mercure dès le XIX^e siècle pour des raisons de prix de revient et de santé publique. L'alcool est alors coloré en rouge ou en bleu pour une meilleure lecture. D'autres substituts au mercure ou à l'alcool sont possibles, il est ainsi possible de trouver commercialement des thermomètres à l'huile de colza ou bien au gallium.

Thermomètre à cadran et aiguille

On utilise ici un bilame pour mesurer la température.

Thermomètre à cristaux liquides

Les thermomètres à cristaux liquides utilisent des cristaux liquides qui changent de couleur selon la température.

Souvent, les cristaux liquides dessinent la valeur de la température. Sur d'autres modèles, ils dessinent simplement une échelle juxtaposée à des valeurs chiffrées.

Ces thermomètres sont souvent utilisés pour les aquariums (modèles autocollants) ou comme thermomètres médicaux (thermomètres frontaux), mais la mesure peut être inexacte.

Thermomètre électronique

Les thermomètres électroniques sont très précis et performants. Ils permettent les mesures de température de l’air, des liquides, des matériaux, etc. Ils ont également la possibilité de mémoriser des valeurs avec une alarme et la lecture est facilitée grâce à un écran. Les données peuvent également être imprimées pour faire une sauvegarde. On peut lui ajouter différentes sondes en fonction du type de mesure à effectuer, voire des sondes sans fil (radio). Il existe aussi des thermomètres infrarouge pour des mesures à distance ou sans contact.

Thermomètre pour l'usage professionnel

Les thermomètres pour l’usage professionnel sont de très grande précision. Ils ont une très grande étendue de mesure et une grande rapidité d’acquisition. Ils peuvent afficher deux températures avec un calcul de delta T. Les thermomètres pour l’usage professionnel peuvent être utilisés avec un étui de protection contre les chocs, la poussière et l’humidité. Ils sont utilisés avec différentes sondes en fonction de l’utilisation :

• sonde d’ambiance
• sonde pince pour une mesure sur un conduit, plaques, ...
• sonde pour air/gaz/liquide
• sonde de contact
• sonde thermocouple
• sondes d'immersion/pénétration
• sondes de mesure pour température de surface
• etc.

En fonction des besoins, les sondes sont équipées de différents capteurs. Le type de mesure définira le type de sonde. Le choix de la sonde adéquate dépend de différents critères :

• l'étendue de mesure
• la précision
• le temps de réponse
• la robustesse
• sa forme.

Les types de capteurs :

• thermocouple
• capteur à résistance platine (Pt100)
• thermistance (CTN).

Les thermomètres à usage professionnel existent aussi en infrarouge pour des mesures sans contact où à distance.

On les utilise pour la mesure de température de :

• climatisation
• liquide
• tuyaux
• air ambiant
• pièce chauffée
• four
• étuve
• les poudres
• etc.

Thermomètres pour la cuisine

Thermomètre pour la laiterie

Thermomètre de confiseur

Ce modèle, à mercure, sert à mesurer de manière précise la température des sirops de sucre. Il est protégé par une cage métallique et gradué de 100 à 200 °C. Il convient également pour mesurer la température des huiles de friture.

Thermomètres pour l'agro-alimentaire

Il existe différents types de thermomètres. Les thermomètres utilisés lors de procès-verbaux en contrôles sanitaires, doivent être conformes à l'arrêté de juillet 1997. Ces thermomètres disposent de sondes comportant des capteurs à variation de résistance (CTN = résistance à coefficient de température négative), ou Pt100 résistance de 100 Ω à 0 °C. Cette dernière garantit par le biais de normes, des incertitudes plus étroites et donc une meilleure précision de mesure.

Les étendues de mesure de ce type de matériel (généralement entre -200 et +600 °C pour les Pt100 et -50 à +150 °C pour les CTN) permettent de couvrir l'ensemble des applications traditionnelles en agro-alimentaire.

Les mesures exactes se font impérativement à cœur, elles sont donc intrusives et destructrices.

Il existe également des moyens de contrôle comme des thermomètres fonctionnant par réception de rayonnement infrarouge, permettant de contrôler très rapidement une homogénéité de température. La précision d'un tel thermomètre étant limitée (surtout aux basses températures), son utilisation nécessite dès lors une formation et une prise de conscience de l'interprétation des résultats. L'infrarouge mesure la température du film ou de l'emballage et non du cœur du produit.

Thermomètres à usage scientifique

Thermomètre météorologique enregistreur

Utilisé en météorologie, le thermomètre enregistreur permet d'enregistrer une température à une heure, d'en envoyer les données à une base et même parfois de pouvoir prévoir les masses d'airs et leurs directions.

Thermomètre magnétique

Ils utilisent la loi de Curie pour mesurer les très basses températures. Ils sont très répandus aujourd'hui même si on ne s'en rend pas compte.

Notes et références

Voir aussi

• Température
• Thermoscope de Rumford
• Thermomètre à minimum et maximum
• Thermomètre de Galilée
• Thermomètre à résistance de platine
• Thermocouple
• Thermomètre infrarouge
• Pyromètre
• Compteur de chaleur

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