THERMOMÈTRE A MERCURE

Le thermomètre à mercure est fondé sur la grande différence qui existe entre la dilatation de ce métal et celle du verre. 11 se compose d'un tube capillaire, de verre ou de cristal, soudé à un réservoir cylindrique ou sphérique de même matière. Le réservoir et une partie de la tige sont remplis de mercure, et une échelle, graduée sur le tube même, ou sur une règle qui lui est parallèle, fait connaître la dilata* tion du liquide (fig. 597 ci-après). Cette échelle doit être faite de telle manière que les différents appaveils soient comparables entre eux, c est-à-dire que, dans les mêmes circonstances, ils donnent les mêmes indications. Quant à la forme de l'enveloppe, elle a pour but de rendre l'instrument sensible, c'est-à-dire propre à indiquer de légères variations de température. Il est évident, en effet, que, pour un même degré d'échauffement, le déplacement de Textrémité. de la colonne de mercure sera d autant plus grand que le réservoir sera plus gros et la tige intérieurement plus étroite.

THERHOHiTRE A MERCURE.

Fig. 597. Pqu,. quç leg thermomètres soient comparables, il faut que deux points de leur graduation correspondent à des températures fixes déterminées^ et que chaque division (ou degré) soit égale à une même fraction de la capacité de la partie du tube comprise entre les deux points fixes. En effet, supposons j pour fixer les idées , que chaque degré de l'échelle représente la 100** partie de la dilatation totale qu'éprouve le liquide en passant de la température fixe la plus basse à la température fixe la plus élevée. Il est évident alors que , si l'on prend les différents thermomètres à la même température et que si on les porte à une autre température telle, que le liquide de Fun des appareils ^e dilate, par exemple, de cinq divisions de Téchelle, c'est-à-dire de cinq centièmes de la dilatation qu'il éprouve entre les deux températures fixes, les masses liquides des autres thermomètres se dilateront aussi de cinq divisions, puisque cellesci représentent la même fraction des dilatations que ces masses éprouvent respectivement entre les deux températures fixes; par conséquent, tous ces thermomètres seront constamment d'accord, ou, en d'autres termes, ils seront comparables entre eux.

On voit, par ce qui précède, qu'indépendamment de la soudure de la tige au réservoir, laquelle se fait au moyen de la lampe d'émailleur, la construction d'un thermomètre comprend trois opérations : la division du tube en parties d'égale capacité, l'introduction du mercure dans le réservoir et la graduation. Si le tube était parfaitement cylindrique et d'un diamètre constant, il suffirait, pour obtenir sa division en parties de capacités égales, de diviser sa longueur , c'est-à-dire une des arêtes de sa surface , en parties égales. Mais le diamètre des tubes de verre étant, en général, plus fort à une extrémité qu'à l'autre, il en résulte que des capacités égales du tube sont représentées, sur l'échelle, par des longueurs inégales. Ce sont ces dernières qu'il s'agit de déterminer.

Pour cela, avant que le tube soit soudé au réservoir, on y introduit une colonne de mercure de 2 à 3 centimètres, qu'on fait mouvoir dans le tube de manière que son extrémité de droite vienne prendre la place qu'occupait celle de gauche, et à marquer, dans chaque position, les extrémités. Pour faire mouvoir la colonne de mercure, on imprime des secousses au tube, ou bien on attache à une extrémité une petite vessie que Ion comprime plus ou moins. S'il arrive que la

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longueur occupée par la colonne demeure invariable , c*est signe que la capacité du tube est partout la même; mais si elle \arie, et va, par exemple, en décroissant, cela montre que le diamètre intérieur du tube augmente. Si l'on observe ainsi que la colonne de mercure éprouve des variations de longueur de plusieurs millimètres, on rejette le tube, et on en cherche un plus régulier. Mais si ces variations sont peu considérables, on admet le tube.

Gela posé, tes divisions tracées sur le tube de la manière que nous avons indiquée correspondent nécessairement à des capacités égales entre elles et au volume de la petite colonne de mercure. Or, les intervalles de ces divisions étant assez rapprochés pour qu'on puisse r^arder le diamètre du tube comme constant dans chacune d'elles, on passe à des divisions plus petites, en partageant les premières en un certain nombre de parties égales. On verra bientôt comment, à Taide de ces divisions, on obtient une graduation exacte de Téchelle.

Le tube ayant été soudé au réservoir, pour introduire le mercure dans celui-ci, il faut employer des artifices particuliers, parce que, le tube étant capillaire, Fair logé dans Tintérieur empêcherait le liquide d'y descendre. On peut, par exemple, chauffer le réservoir afin d'en dilater l'air, et ensuite plonger rapidement l'extrémité du tube dans un bain de mercure. Le refroidissement qui a lieu diminue l'élastieité de l'air intérieur, et la pression atmosphérique force le liquide à monter de plus en plus ; il suflit qu'il en arrive seulement quelques gouttes dans le réservoir. Alors, retournant l'appareil pour le chauffer de nouveau jusqu'à l'ébullition du mercure, les vapeurs que celui-ci forme en remplissent bientôt toute la capacité; l'air est coniplétement chassé, et cette fois, en plongeant très-vite l'extrémité du tube dc^ns le bain de mercure, on est presque assuré qu'il se remplira complètement.

Lorsque Tinstrument est ainsi rempli de mercure sec et pur, on ferme le tube en en soudant l'extrémité à la lampe. Mais on a soin de chauffer auparavant le réservoir, de manière à chasser la moitié ou les deux tiers du mercure qui est dans le tube; sinon, ce liquide ne pourrait se dilater sans briser le thermomètre. La quantité de mercure à expulser du tube est d'autant plus grande que l'instrument est destiné à mesurer des températures plus élevées. On a soin, en outre, au moment où l'on ferme le tube, de chauffer le réservoir, de manière que le liquide dilaté monte au sommet du tube. De la sorte, il ne reste pas d'air dans le thermomètre, ce qui est nécessaire ; sinon lair comprimé, lorsque le mercure s'élève, pourrait faire éclater le tube.

THEAHOMiTRE A USECUftl. i3$

Après avoir rempli le ihermomètre ooimne il vieot d'éire dit^ il reste à le graduer. Pour cela, il a fallu se donner, sur oette tige, deux points fixes qui représentassent des températures faciles à reproduire et toujours identiques.

Or, Texpérienee a fait connaître que la len^péraiure de la fusion de la glace est toujours la même , quelle que soit la source de chaleur , car un corps plongé dans la glace fondante rqM*end toujours le même volume et le conserve pendant toute la durée de la fusion. Un physicien suédois, Rudberg, a constaté, d'un autre cdté, que Teau en ébullition, sous une pression quelconque, mais invariable, émet des vapeurs dont la température est absolument constante et toujours la même, quels que soient le vase qui renferme le liquide et le degré de pureté de celui-ci ; mais cette température s'abaisse quand la pression diminue et elle s'élève, au contraire, quand la pression augmente. En conséquence, on a pris pour premier point fixe, c'est-ànlire pour le zéro de l'échelle, la température de la glace fondante, et pour second point fixe, qu'on représente par 100, la température de la vapeur d'eau bouillante, quand l'ébullition a lieu sous la pression atmosphérique de 0'»,76.

Pour marquer sur le tube thermométrique les deux points fixes, il faut user de quelques précautions que nous allons indiquer. Le zéro se détermine exactement à l'aide d'un vase qu'on remplit de glace pilée ou de neige, et dont le fond est percé d'un trou pour laisser écouler Feau qui provient de la fusion de la glace. On plonge le réservoir du thermomètre et une partie de la tige dans cette glace, pendant un quart d'heure environ. I^a colonne de mercure s'abaisse d'abord rapidement, puis reste stationnaire. Alors, au point qui correspond au niveau du mercure, on marque sur le tube un trait à l'encre : c'est la place du zéro.

Pour déterminer exactement le second point fixe, on prend un vase en fer-blanc ou en cuivre M (fig. 598 ci-après), contenant de l'eau et portant deux tubulures : Tune centrale A , ouverte à ses deux bouts ; l'autre B, fermée h ses deux extrémités et concentrique à la première qu'elle entoure en entier. Cette seconde enveloppe est munie de trois tubulures a, E, D. La première est fermée avec un bouchon dans lequel passe la tige t du thermomètre dont on cherche le point 100 ; à la seconde est adapté un petit tube de verre m , contenant du mercure, et destiné à servir de manomètre pour mesurer la tension de la vapeur dans l'intérieur de lappareil ; enfin , la troisième tubulure D sert de dégagement à la vapeur et à l'eau résultant de la condensation.

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Fig. 598. Cela posé, l'appareil étant placé sur un

fourneau, et chauffé jusqu'à rébullition, la vapeur, après avoir enveloppé le thermomètre dans le tube A , pénètre dans Tenveloppe B , et se dégage ensuite dans l'atmosphère par la tubulure D. On voit que la deuxième enveloppe, qui a été ajoutée à Fappareil que nous venons de décrire par M. Regnault, a pour but d'éviter le refroidissement de la tubulure centrale par son contact avec l'air. Lorsqu'on remarque que le thermomètre a pris exactement la température de la vapeur, ce qui a lieu lorsque le niveau du mercure qu'il contient est devenu stationnaire, on marque au point a, où ce niveau s'arrête, un trait qui est le point 100 cherché, pourvu que la pression de l'air soit 0">76. Si cette pression normale n'existe pas au moment de l'expérience, il faut, pour obtenir exactement le point 100, faire la correction indiquée parWollaston. Ce physicien a constaté que lorsque, dans le baromètre, le mercure s'élève ou s'abaisse de 27 millimètres, la température d'ébullition monte ou descend d'un degré; par conséquent, si la hauteur du baromètre est, par exemple, 778 millimètres, c'est-à-dire de 18 millimètres, ou des deux tiers de 27, au-dessus de 760, la température de la vapeur d'eau bouillante sera égale à 100 degrés plus deux tiers. C'est donc 100 et 2/3 qu'on devra marquer au point où s'arrête le mercure. Les deux points fixes obtenus, on partage l'intervalle qui les sépare en 1 00 parties d'égale capacité , qu'on nomme degrés , et on prolonge ces divisions sur toute la longueur de l'échelle, comme le montre la figure 597. A cet effet, il faut faire usage des divisions en parties d'égale capacité qui ont d'abord été tracées sur le tube. Pour cela, on compte le nombre de ces divisions comprises entre les deux points fixes, et, divisant ce nombre par 100, on a le nombre de divisions ou la fraction de division qui équivaut à un degré; on en déduit successivement, à partir du zéro, la position de chacun. Le thermomètre ainsi gradué est le thermomètre centigrade.

Les degrés se désignent par un petit zéro placé à droite du nombre qui marque la température, et un peu au-dessus. Enfin, pour distinguer les températures au-dessous du zéro de celles qui sont au-dessus, on les fait précéder du signe — (moins); 15 degrés au-dessous de zéro s'indiquent donc par — 15".

THERHOnÈTRE k HERGURE. 457

Dans les thermomètres de précision , ]'échelle est graduée sur le verre même de la tige. Elle ne peut ainsi se déplacer. Pour obtenir sur le verre les traits permanents, on recouvre la tige thermométrique d une légère couche d'un vernis transparent ^ puis , avec une pointe d'acier, on marque, sur le vernis, les traits de Téchelle, ainsi que les chiffres correspondants; on expose enfin la tige, pendant 10 minutes environ, à des vapeurs d'acide fluorhydrique, qui jouit de la propriété d attaquer le verre, et qui grave les traits en creux, partout où le vernis a été enlevé.

L'échelle centigrade ou centésimale est due à Celsius, d'Upsal ; on en a adopté deux autres quïl faut également connaître. Dans l'échelle de Réaumur , on partage rinlervalle entre les points fixes en 80 parties égales, de sorte que les degrés du thermomètre de Réaumur sont plus grands que ceux du thermomètre centigrade. En Angleterre et en Allemagne on se sert principalement de Véchelle de Fahrenheit : l'intervalle entre les points fixes est divisé en 180 parties; ces divisions sont portées au-dessous du point de la glace fondante, et à la 32°, on marque 0; de manière que, au point de la glace fondante se trouve 32", et à l'eau bouillante 32 + 180 = 212°.

On voit qu'il est essentiel, quand on indique une température, de désigner en même temps de quelle échelle on s'est servi. Du reste, il est facile de passer des indications données dans l'une des échelles à celles qui leur correspondraient dans une autre : en effet, soit G et R les nombres correspondants des degrés centigrades et des degrés Réaumur; on aura 100 : 80 = C : R, d'où C =-R. 5/4, et R =C. 4/5. Si Ton donne des degrés Fahrenheit F, il faut commencer par en retrancher 32°, pour avoir le même point de départ, et l'on aura, pour passer, par exemple, aux degrés centigrades F — 32 : C = 180 : 100, d'où C = (F — 32) 5/9, et F — 32 = C. 9/5. La seconde formule donne le moyen de passer des degrés centigrades aux degrés de Fahrenheit; on voit qu'il faut ajouter 32° au nombre obtenu pour se conformer au point de départ particulier à l'échelle de Fahrenheit.

Lorsqu'on reprend, à des époques un peu éloignées, les points fixes d'un même thermomètre, on ne les trouve pas toujours à la même place : tous deux ont varié dans le même sens et d'une même quantité. Ces variations, qui s'élèvent souvent à 0°,5, sont un effet d'un changement qui se produit spontanément dans les dimensions du réservoir. Elles sont facilement observables sur des thermon^^tres de construction récente. Mais, dans tous les cas, on doit toujours être en garde contre cet effet, et cela ne présente aucune dilTîcuUc.

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Le thermomètre à mercure ne peut servir que jusqu'à SGO"* aodessus de zéro ; au deli, le mercure entrerait en ébuUition et Tinstrument serait brisé. Au-dessous de zéro, on ne peut s'en servir que jusqu'à SB"; à la température de — 40", le mercure se solidifie, et dès — 36°, et même — 35"*, il éprouve des contractions irrégulières qui rendent les indications fautives. Pour les températures plus élevées que 360°, on se sert d'appareils variés désignés sous le nom de pyromètresy et dont nous parlerons après avoir étudié les lois de la dilatation des solides et des gaz. Pour les températures inférieures à — 36% on se sert du thermomètre à alcool, parce que l'alcool pur ne se congèle pas, quel que soit le froid qu'on lui fasse subir. (H. V.)