La mesure de la température est une action récurrente en science et technologie. De la recherche en laboratoire aux procédés industriels, l'utilisation d'échelles thermométriques permet d'interpréter et de contrôler les phénomènes thermiques.
Mais que sont exactement les échelles thermométriques et quel est leur rôle dans la mesure de la température ? Cet article explore les fondements, les classifications et les applications de ces échelles, avec une approche didactique et accessible.
Qu'est-ce qu'une échelle thermométrique ?
Une échelle thermométrique est un système de référence qui relie une propriété physique mesurable aux valeurs de température.
Ces échelles sont basées sur des phénomènes physiques qui varient de manière prévisible avec les changements de température, comme la dilatation des liquides, la variation de la résistance électrique ou la pression d'un gaz à volume constant.
Il est important de distinguer les échelles thermométriques des échelles de température. Les échelles de température, telles que Celsius, Fahrenheit et Kelvin, sont des systèmes standardisés utilisés pour exprimer quantitativement la température.
Les échelles thermométriques, quant à elles, sont associées aux méthodes et instruments utilisés pour mesurer la température.
Fondamentaux des échelles thermométriques
Les échelles thermométriques sont des outils fondamentaux pour mesurer la température, basées sur la relation entre les propriétés physiques des matériaux et les changements de température.
Pour comprendre leur fonctionnement, il est nécessaire de connaître les principes qui les régissent, comme les propriétés thermométriques, l'étalonnage et la reproductibilité.
Propriétés thermométriques
Une propriété thermométrique est une grandeur physique qui varie de manière prévisible avec la température. Cela permet de l'utiliser comme base pour mesurer ce paramètre.
Des exemples courants de propriétés thermométriques incluent l'expansion de liquides, tels que le mercure ou l'alcool, qui augmente avec la chaleur, et le changement de pression d'un gaz à volume constant.
D'autres exemples incluent les changements dans la résistance électrique des matériaux conducteurs et le rayonnement thermique émis par les corps chauds, utilisés dans des appareils tels que les pyromètres.
Étalonnage
L'étalonnage d'une échelle thermométrique s'effectue en définissant des points de référence précis, tels que les points de congélation et d'ébullition de l'eau, ou le point triple de l'eau, qui correspond à 273,16 K sur l'échelle Kelvin .
Ces points permettent d'attribuer des valeurs précises et uniformes aux températures mesurées.
Linéarité et reproductibilité
De plus, les échelles thermométriques idéales se caractérisent par leur linéarité et leur reproductibilité . Cela signifie que la relation entre la propriété mesurée et la température est proportionnelle et cohérente, garantissant que les résultats sont fiables et comparables, quel que soit l'instrument utilisé.
Classification des échelles thermométriques
Les échelles thermométriques sont classées selon la propriété physique utilisée pour mesurer la température.
Les plus courants et leurs principales caractéristiques sont décrits ci-dessous :
1. Basé sur la dilatation
Les thermomètres à mercure et à alcool sont les exemples les plus représentatifs de cette catégorie. Ces appareils mesurent la température en profitant de la dilatation d'un liquide contenu dans un tube capillaire.
Ils sont largement utilisés dans les applications quotidiennes en raison de leur simplicité et de leur fiabilité.
Les thermomètres à mercure sont peu coûteux, faciles à utiliser et nécessitent peu d'entretien. Cependant, leur plage de mesure est limitée par les points de congélation et d’ébullition du liquide utilisé, ce qui les rend inadaptés aux températures extrêmes.
2. Basé sur la pression d'un gaz
Les thermomètres à gaz à volume constant fonctionnent en mesurant la pression d'un gaz qui varie linéairement avec la température, tant que le volume reste constant.
En général, ils offrent une grande précision et une plage de mesure très large.
Ils sont courants dans la recherche scientifique et dans l’étalonnage d’autres instruments de mesure.
3. Basé sur les propriétés électriques
Dans cette catégorie, nous trouvons des thermomètres à résistance (RTD) et des thermocouples. Les RTD utilisent la variation de la résistance électrique de matériaux tels que le platine, dont la résistance augmente de manière prévisible avec la température. Les thermocouples, quant à eux, génèrent une tension proportionnelle à la différence de température entre deux métaux assemblés.
Leurs avantages sont qu'ils sont robustes, ont une large plage de température et permettent des mesures à distance.
Ils sont utilisés dans le contrôle industriel, la surveillance des processus et les expériences scientifiques.
4. Basé sur le rayonnement thermique
Les pyromètres et les thermomètres infrarouges mesurent le rayonnement thermique émis par les corps chauds pour déterminer leur température.
Ces types de balances thermothermiques ne nécessitent pas de contact physique avec l'objet mesuré et sont idéaux pour les températures extrêmement élevées ou les objets en mouvement.
Ils sont utilisés entre autres dans l’industrie métallurgique, dans le contrôle qualité et dans les systèmes de sécurité.
5. Basé sur les transitions de phase
Ces échelles sont basées sur les températures de transitions de phase, comme la fusion ou la solidification, qui sont des points de référence très précis. Un exemple notable est le point triple de l'eau (273,16 K), utilisé pour calibrer l'échelle Kelvin.
Ces balances thermoélectriques offrent une précision extrêmement élevée.
Relation entre les échelles thermométriques et les échelles de température
Les échelles thermométriques permettent de mesurer la température avec précision, mais les résultats doivent être exprimés sur une échelle de température standardisée.
Par exemple : Un thermomètre à mercure calibré en Celsius fournira des lectures telles que 0°C (point de congélation de l'eau) ou 100°C (point d'ébullition de l'eau). D'un autre côté, un thermomètre à résistance peut être calibré en Kelvin, avec des lectures telles que 273,15 K pour le point de congélation de l'eau.