Comment fonctionnent les thermomètres ?

Quelle est la température extérieure ? Quel froid fera-t-il cette nuit ? Un thermomètre - instrument utilisé pour mesurer la température de l'air - nous le dit facilement, mais la manière dont il le dit est une toute autre question.

Pour comprendre le fonctionnement d'un thermomètre, nous devons garder à l'esprit un élément de physique : un liquide augmente de volume (la quantité d'espace qu'il occupe) lorsque sa température se réchauffe et diminue de volume lorsque sa température se refroidit.

Lorsqu'un thermomètre est exposé à l'atmosphère, la température de l'air ambiant l'imprègne et finit par équilibrer la température du thermomètre avec la sienne, un processus dont le nom scientifique sophistiqué est "équilibre thermodynamique". Si le thermomètre et le liquide qu'il contient doivent se réchauffer pour atteindre cet équilibre, le liquide (qui occupera plus d'espace lorsqu'il sera réchauffé) s'élèvera car il est piégé dans un tube étroit et n'a d'autre choix que de monter. De même, si le liquide du thermomètre doit se refroidir pour atteindre la température de l'air, le liquide diminuera de volume et descendra dans le tube. Lorsque la température du thermomètre s'équilibre avec celle de l'air ambiant, le liquide cesse de se déplacer.

La montée et la descente du liquide à l'intérieur d'un thermomètre ne constituent qu'une partie de son fonctionnement. Certes, cette action vous indique qu'un changement de température est en train de se produire, mais sans échelle numérique pour le quantifier, vous seriez incapable de mesurer ce changement de température. Ainsi, les températures attachées au verre d'un thermomètre jouent un rôle clé (bien que passif).

Qui a inventé le thermomètre ? Fahrenheit ou Galilée ?

Lorsqu'il s'agit de savoir qui a inventé le thermomètre, la liste des noms est interminable. En effet, le thermomètre s'est développé à partir d'une compilation d'idées entre le XVIe et le XVIIIe siècle, en commençant à la fin des années 1500 lorsque Galilée a mis au point un dispositif utilisant un tube de verre rempli d'eau avec des bouées de verre lestées qui flottaient haut dans le tube ou qui s'enfonçaient en fonction de la chaleur ou de la froideur de l'air à l'extérieur (un peu comme une lampe à lave). Son invention est le premier "thermoscope" au monde.

Au début des années 1600, Santorio, scientifique vénitien et ami de Galilée, a ajouté une échelle au thermoscope de Galilée afin de pouvoir interpréter la valeur du changement de température. Ce faisant, il a inventé le premier thermomètre primitif au monde. Le thermomètre n'a pris la forme que nous lui connaissons aujourd'hui que lorsque Ferdinand Ier de Médicis l'a redessiné sous la forme d'un tube scellé doté d'un bulbe et d'une tige (et rempli d'alcool) au milieu du XVIe siècle. Enfin, dans les années 1720, Fahrenheit a repris cette conception et l'a "améliorée" en utilisant du mercure (au lieu d'alcool ou d'eau) et en y fixant sa propre échelle de température. En utilisant du mercure (dont le point de congélation est plus bas et dont l'expansion et la contraction sont plus visibles que celles de l'eau ou de l'alcool), le thermomètre de Fahrenheit a permis d'observer des températures inférieures au point de congélation et d'effectuer des mesures plus précises. C'est ainsi que le modèle de Fahrenheit a été accepté comme le meilleur.

Quel type de thermomètre utilisez-vous ?

Outre le thermomètre en verre de Fahrenheit, il existe quatre principaux types de thermomètres utilisés pour mesurer la température de l'air.

Les thermomètres à liquide dans le verre

Également appelés thermomètres à bulbe, ces thermomètres de base sont toujours utilisés dans les stations météorologiques Stevenson Screen à travers le pays par les observateurs météorologiques coopératifs du National Weather Service lorsqu'ils relèvent les températures maximales et minimales quotidiennes. Ils sont constitués d'un tube de verre (la "tige") avec une chambre ronde (le "bulbe") à une extrémité qui contient le liquide utilisé pour mesurer la température. Lorsque la température change, le volume de liquide se dilate, ce qui le fait monter dans la tige, ou se contracte, ce qui le fait redescendre de la tige vers l'ampoule.

Vous détestez la fragilité de ces thermomètres à l'ancienne ? En fait, leur verre est volontairement très fin. Plus le verre est fin, moins il y a de matière à traverser pour la chaleur ou le froid, et plus le liquide réagit rapidement à cette chaleur ou à ce froid - c'est-à-dire qu'il y a moins de décalage.

Bimétallique ou à ressor

Le thermomètre à cadran monté sur votre maison, votre grange ou dans votre jardin est un type de thermomètre bimétallique. (Les thermomètres de votre four et de votre réfrigérateur, ainsi que le thermostat de votre four, en sont d'autres exemples). Il utilise une bande de deux métaux différents (généralement de l'acier et du cuivre) qui se dilatent à des vitesses différentes pour détecter les températures. Les deux taux de dilatation différents des métaux forcent la bande à se plier dans un sens si elle est chauffée au-delà de sa température initiale, et dans la direction opposée si elle est refroidie en deçà. La température peut être déterminée par le degré de courbure de la bande.

Thermoélectrique

Les thermomètres thermoélectriques sont des appareils numériques qui utilisent un capteur électronique (appelé "thermistance") pour générer une tension électrique. Lorsque le courant électrique circule le long d'un fil, sa résistance électrique varie en fonction de la température. La mesure de ce changement de résistance permet de calculer la température.

Contrairement à leurs cousins en verre et bimétalliques, les thermomètres thermoélectriques sont robustes, réagissent rapidement et n'ont pas besoin d'être lus par l'œil humain, ce qui les rend parfaits pour une utilisation automatisée. C'est pourquoi ils sont le thermomètre de choix pour les stations météorologiques automatisées des aéroports. Les stations météorologiques personnelles sans fil utilisent également la technique thermoélectrique.

Infrarouge

Les thermomètres infrarouges sont capables de mesurer la température à distance en détectant la quantité d'énergie thermique (dans la longueur d'onde infrarouge invisible du spectre lumineux) émise par un objet et en calculant une température à partir de cette énergie. L'imagerie satellitaire infrarouge (IR), qui montre les nuages les plus hauts et les plus froids en blanc brillant et les nuages bas et chauds en gris, peut être considérée comme une sorte de thermomètre à nuages.