Thermomètres
Qu'est ce qu'un thermomètre ?
Un thermomètre est un appareil qui mesure la température ou un gradient de température (le degré de chaleur ou de froid d'un objet).
Un thermomètre comporte deux éléments importants :
- Un capteur de température (par exemple l'ampoule d'un thermomètre à mercure en verre ou le capteur pyrométrique d'un thermomètre infrarouge) dans lequel un changement se produit avec un changement de température.
- Un moyen de convertir ce changement en une valeur numérique (par exemple, l'échelle visible qui est marquée sur un thermomètre à mercure dans le verre ou la lecture numérique sur un modèle infrarouge).
Les thermomètres sont largement utilisés dans la technologie et l'industrie pour surveiller les processus, en météorologie, en médecine et dans la recherche scientifique.
Certains des principes du thermomètre étaient connus des philosophes grecs il y a deux mille ans. Le médecin italien Santorio Santorio ( Sanctorius, 1561-1636) est généralement crédité de l'invention du premier thermomètre, mais sa standardisation a été achevée au cours des 17e et 18e siècles. Dans les premières décennies du 18ème siècle en République néerlandaise. Daniel Gabriel Fahrenheit a fait deux percées révolutionnaires dans l'histoire de la thermométrie. Il a inventé le thermomètre à mercure en verre (premier thermomètre très utilisé, précis et pratique) et l'échelle Fahrenheit (première échelle de température normalisée à être largement utilisée).
Histoire
Un thermomètre infrarouge est une sorte de pyromètre.
Alors qu'un thermomètre individuel est capable de mesurer les degrés de chaleur, les lectures de deux thermomètres ne peuvent pas être comparées à moins qu'elles ne soient conformes à une échelle convenue. Il existe aujourd'hui une échelle de température thermodynamique absolue. L'échelle de température officielle la plus récente est l'échelle internationale de température de 1990.
Thermomètre avec unités Fahrenheit (symbole ° F) et Celsius (symbole ° C).
La précision de la thermométrie
En 1714, le scientifique et inventeur néerlandais Daniel Gabriel Fahrenheit a inventé le premier thermomètre fiable, utilisant du mercure au lieu de mélanges d'alcool et d'eau . En 1724, il proposa une échelle de température qui maintenant (légèrement ajustée) porte son nom. Il pouvait le faire parce qu'il fabriquait pour la première fois des thermomètres, utilisant du mercure (qui a un coefficient de dilatation élevé), et la qualité de sa production pourrait fournir une échelle plus fine et une plus grande reproductibilité, conduisant à son adoption générale. En 1742, Anders Celsius (1701–1744) proposa une échelle avec zéro au point d'ébullition et 100 degrés au point de congélation de l'eau, bien que l'échelle qui porte maintenant son nom les ait inversées.
Le premier médecin à utiliser les mesures du thermomètre dans la pratique clinique fut Herman Boerhaave (1668–1738).
Matériaux thermométriques
Il existe différents types de thermomètres empiriques basés sur les propriétés des matériaux.
De nombreux thermomètres empiriques reposent sur la relation constitutive entre la pression, le volume et la température de leur matériau thermométrique. Par exemple, le mercure se dilate lorsqu'il est chauffé.
S'il est utilisé pour sa relation entre la pression et le volume et la température, un matériau thermométrique doit avoir trois propriétés:
- Son chauffage et son refroidissement doivent être rapides. C'est-à-dire que lorsqu'une quantité de chaleur pénètre ou sort d'un corps du matériau, le matériau doit se dilater ou se contracter jusqu'à son volume final ou atteindre sa pression finale et doit atteindre sa température finale pratiquement sans retard; une partie de la chaleur qui entre peut être considérée comme modifiant le volume du corps à température constante, et est appelée chaleur latente d'expansion à température constante ; et le reste peut être considéré comme modifiant la température du corps à volume constant, et est appelé chaleur spécifique à volume constant. Certains matériaux n'ont pas cette propriété et mettent un certain temps à répartir la chaleur entre le changement de température et de volume.
- Son chauffage et son refroidissement doivent être réversibles. C'est-à-dire que le matériau doit pouvoir être chauffé et refroidi indéfiniment souvent par le même incrément et décrément de chaleur, et toujours revenir à sa pression, son volume et sa température d'origine à chaque fois.
- Son chauffage et son refroidissement doivent être monotones. C'est-à-dire qu’il a sur toute la plage de températures pour laquelle il doit à fonctionner une pression constante ou un volume constant.
Aux températures d'environ 4 ° C, l'eau n'a pas ces propriétés, il se comporte donc de manière anormale à cet égard. L'eau ne peut donc pas être utilisée comme matériau pour ce type de thermométrie pour des plages de température proches de 4°C.
Les gaz, par contre, ont tous ces propriétés. Par conséquent, ce sont des matériaux thermométriques appropriés, et c'est pourquoi ils ont joué un rôle important dans le développement de la thermométrie.
Thermomètres primaires et secondaires
Un thermomètre est appelé primaire ou secondaire en fonction de la façon dont la quantité physique brute qu'il mesure correspond à une température. Pour les thermomètres primaires, la propriété mesurée de la matière est si bien connue que la température peut être calculée sans aucune quantité inconnue. Des exemples de ceux-ci sont des thermomètres basés sur l'équation d'état d'un gaz ou encore sur la vitesse de son dans un gaz.
En revanche, " les thermomètres secondaires sont les plus largement utilisés en raison de leur commodité. De plus, ils sont souvent beaucoup plus sensibles que les thermomètres primaires. Pour les thermomètres secondaires, la connaissance de la propriété mesurée n'est pas suffisante pour permettre un calcul direct de la température. Ils doivent être étalonnés.
Étalonnage
Les thermomètres peuvent être étalonnés soit en les comparant avec d'autres thermomètres étalonnés, soit en les comparant à des points fixes connus sur l'échelle de température. Les plus connus de ces points fixes sont les points de fusion et d'ébullition de l'eau pure. (Notez que le point d'ébullition de l'eau varie avec la pression, cela doit donc être contrôlé.)
La manière la plus simple d’étalonner un thermomètre liquide dans verre ou liquide dans métal se déroulait en trois étapes :
- Plongez la partie de détection dans un mélange agité de glace pure et d'eau à la pression atmosphérique et marquez le point indiqué quand il est arrivé à l'équilibre thermique.
- Plongez la partie de détection dans un bain de vapeur à la pression atmosphérique standard et marquez à nouveau le point indiqué.
- Divisez la distance entre ces marques en portions égales en fonction de l'échelle de température utilisée.
Résolution, la précision et la reproductibilité
La résolution d'un thermomètre est simplement à quelle fraction de degré il est possible de faire une lecture. Pour les travaux à haute température, il peut être possible de mesurer uniquement à 10 ° C près ou plus. Les thermomètres cliniques et de nombreux thermomètres électroniques sont généralement lisibles à 0,1 ° C. Des instruments spéciaux peuvent donner des lectures au millième de degré. Cependant, cet affichage de la température ne signifie pas que la lecture est vraie ou exacte, cela signifie seulement que de très petits changements peuvent être observés.
La précision d’un thermomètre étalonné est donnée à un point fixe connu et précis (c'est-à-dire qu'il donne une lecture vraie) à ce point. Entre les points d'étalonnage fixes, l'interpolation est effectuée généralement de façon linéaire. Cela peut donner des différences significatives entre les différents types de thermomètres à des points éloignés des points fixes. Par exemple, l'expansion du mercure dans un thermomètre en verre est légèrement différente du changement de résistance d'un thermomètre à résistance en platine, donc ces deux seront légèrement en désaccord.
La reproductibilité est importante. Autrement dit, le même thermomètre donne-t-il la même lecture pour la même température ? Une mesure de température reproductible signifie que les comparaisons sont valides dans les expériences scientifiques et que les processus industriels sont cohérents. Ainsi si le même type de thermomètre est étalonné de la même manière, ses lectures seront valides même si elles sont légèrement imprécises par rapport à l'échelle absolue.
Un exemple de thermomètre de référence utilisé pour vérifier les autres selon les normes industrielles serait un thermomètre à résistance en platine avec un affichage numérique à 0,1 ° C (sa précision) qui a été étalonné en 5 points (−18, 0, 40, 70 , 100 ° C) et dont la précision est de ± 0,2 ° C.
Les thermomètres à liquide en verre correctement étalonnés, utilisés et entretenus peuvent atteindre une incertitude de mesure de ± 0,01°C dans la plage de 0 à 100°C.
Applications
Les thermomètres utilisent une gamme d'effets physiques pour mesurer la température. Les capteurs de température sont utilisés dans une grande variété d'applications scientifiques et techniques, en particulier les systèmes de mesure. Les systèmes de température sont principalement électriques ou mécaniques, parfois indissociables du système qu'ils contrôlent (comme dans le cas d'un thermomètre à mercure en verre). Les thermomètres sont utilisés sur les routes dans les climats froids pour aider à déterminer si des conditions de givrage existent. À l'intérieur, les thermistances sont utilisées dans les systèmes de climatisation tels que les climatiseurs, les congélateurs, les radiateurs, les réfrigérateurs et les chauffe-eaux. Les thermomètres Galileo sont utilisés pour mesurer la température de l'air intérieur, en raison de leur plage de mesure limitée.
Ces thermomètres à cristaux liquides (qui utilisent des cristaux liquides thermochromiques) sont également utilisés pour mesurer la température de l'eau dans les aquariums.
Les capteurs de température du réseau de Bragg à fibre sont utilisés dans les centrales nucléaires pour surveiller les températures du cœur du réacteur et éviter la possibilité de fusion nucléaire.
Nanothermométrie
La nanothermométrie est un domaine de recherche émergent traitant de la connaissance de la température à l'échelle submicrométrique. Les thermomètres conventionnels ne peuvent pas mesurer la température d'un objet qui est plus petit qu'un micromètre, et de nouvelles méthodes et matériaux doivent être utilisés. La nanothermométrie est utilisée dans de tels cas.
Cryométrie
Thermomètres utilisés spécifiquement pour les basses températures.
Médicale
Les thermomètres auriculaires sont généralement des thermomètres infrarouges.
Le thermomètre frontal est un exemple de thermomètre à cristaux liquides.
Les thermomètres rectaux et oraux sont généralement au mercure, mais ont depuis été largement remplacés par des thermistances NTC à lecture numérique.
Diverses techniques thermométriques ont été utilisées à travers l'histoire comme le thermomètre Galileo à l'imagerie thermique. Les thermomètres médicaux tels que les thermomètres à mercure dans le verre, les thermomètres infrarouges, les thermomètres à pilules et les thermomètres à cristaux liquides sont utilisés dans les établissements de soins de santé pour déterminer si les personnes ont de la fièvre ou sont hypothermiques.
Alimentation et sécurité alimentaire
Les thermomètres sont importants pour la salubrité des aliments , où les aliments à des températures données peuvent être sujets à des niveaux potentiellement nocifs de croissance bactérienne après plusieurs heures, ce qui pourrait entraîner des maladies d' origine alimentaire. Cela comprend la surveillance des températures de réfrigération et le maintien de la température des aliments servis sous des lampes chauffantes ou des bains d'eau chaude. Les thermomètres de cuisson sont importants pour déterminer si un aliment est correctement cuit. En particulier, les thermomètres à viande sont utilisés pour aider à cuire la viande à une température interne sûre tout en évitant une cuisson excessive. On les trouve généralement en utilisant soit une bobine bimétallique, soit un thermocouple ou une thermistance avec une lecture numérique. Thermomètres à bonbons sont utilisés pour aider à atteindre une teneur en eau spécifique dans une solution de sucre en fonction de sa température d'ébullition.
Environnement
Thermomètre intérieur-extérieur
Le compteur de chaleur utilise un thermomètre pour mesurer le débit de chaleur.
Les thermostats ont utilisé des bandes bimétalliques, mais les thermistances numériques sont devenues populaires depuis.
Les thermomètres à alcool, les thermomètres infrarouges, les thermomètres enregistreurs et les thermistances sont utilisés en météorologie et en climatologie à divers niveaux de l’atmosphère et des océans. Les aéronefs utilisent des thermomètres et des hygromètres pour déterminer si des conditions de givrage atmosphérique existent le long de leur trajectoire de vol. Ces mesures permettent d'initialiser les modèles de prévisions météorologiques. Les thermomètres sont utilisés sur les routes dans les climats froids pour aider à déterminer si des conditions de givrage existent et à l'intérieur dans les systèmes de climatisation.