EFFETS GÉNÉRAUX

605. Effets divers de la chaleur sur les corps. — Non seulement, comme on l'a vu ci-dessus, le mouvement vibratoire qui constitue la chaleur échauffe de plus en plus les corps à mesure que sa vitesse augmente, mais il produit en outre les effets suivants : 1° les molécules se repoussent et le volume des corps augmente de plus en plus : ce qu'on exprime en disant qu'ils se dilatent; 2° le mouvement continuant à s'accélérer, les corps changent d'état, c'est-à-dire passent de l'état solide à l'état liquide, et de celui-ci à l'état aériforme; 3° enfin, la vitesse de vibration atteint une limite au delà de laquelle, l'équilibre moléculaire étant détruit, les corps composés sont dissociés, c'est-à-dire que leurs éléments n'obéissent plus à l'affinité chimique qui les liait, et il y a décomposition. Quand la vitesse du mouvement vibratoire décroît, des phénomènes inverses se produisent.

606. Expériences de dilatation. — Tous les corps se dilatent par l'effet de la chaleur. Les plus dilatables sont les gaz, puis viennent les liquides et enfin les solides. Dans ces derniers, on distingue la dilatation linéaire, qui a lieu suivant une seule dimension, et la dilatation cubique, qui porte sur le volume tout entier : d'ailleurs ces dilatations ne se produisent jamais l'une sans l'autre. Dans les liquides et dans les gaz, l'on n'a à considérer que des dilatations en volume.

1° Dilatation des solides. — La dilatation des solides étant trop faible pour être visible directement, on la rend apparente à l'aide des expériences suivantes.

Expérience du pyromètre à cadran. — Pour la dilatation li-

Fig. 660.

néaire, on prend une tige métallique A (fi g. 660), qu'on fixe à l'une de ses extrémités par une vis de pression B, tandis qu'à l'autre elle reste libre et arrive au contact du plus petit bras d'un.

levier K, mobile sur un cadran. Au-dessous de la tige est un réservoir dans lequel on brûle de l'alcool. L'aiguille K est d'abord au zéro du cadran ; mais on la voit monter à mesure que la tige A s'échauffe, ce qui rend sensible la dilatation linéaire de la tige.

Anneau de 's Gravesande. — La dilatation cubique des solides peut se montrer au moyen de Vanneau de s' Gravesande. On nomme ainsi un petit anneau métallique dans lequel passe librement, à la température ordinaire, une boule de cuivre rouge, ayant à très peu près le même diamètre que lui. Lorsque cette boule a été chauffée à la flamme d'une lampe à alcool, elle ne peut plus passer à travers l'anneau, ce qui prouve l'accroissement de volume. 2° Dilatation des liquides. — Pour constater la dilatation des liquides, on soude à un petit ballon de verre un tube capillaire (fig. 661). Le ballon et une partie du tube étant remplis d'un liquide coloré, aussitôt qu'on l'échauffé, ce liquide s'élève dans le tube, de a en b par exemple : cette dilatation est toujours beaucoup plus grande que dans les solides.

5° Dilatation des gaz. — Le même appareil sert à montrer la dilatation des gaz. Pour cela, on remplit le ballon d'air, et l'on introduit dans le tube un index de mercure de 1 à 2 centimètres de longueur (fig. 662). Lorsqu'on échauffe le ballon, même en approchant la main, l'index est refoulé vers l'extrémité du tube, et finit par en être expulsé ; d'où l'on conclut que, même pour un faible accroissement de chaleur, les gaz sont très dilatables.

Remarque. — Contraction par le refroidissement. — Dans ces diverses expériences, dès que les corps se refroidissent, ils se contractent, et lorsque la chaleur est revenue au même degré, ils reprennent exactement leur volume primitif.

007. Travail de la chaleur dans la dilatation. — La dilatation et la contraction sont des forces énormes, et il faudrait un effort mécanique d'une intensité extraordinaire pour augmenter ou réduire le volume des corps dans la même proportion. Les solides étant peu dilatables, l'élévation de température n'y produit qu'un très petit accroissement de volume : par suite, dans les conditions ordinaires de pression atmosphérique que supportent les corps, le travail externe des solides pendant la dilatation est lui-même très faible. Le contraire a lieu pour le travail interne, car, la force qui unit les molécules

Fig. 661.

Fig. 662.

THERMOMÉTRIE. 805

étant considérable, il en est de même de l'effort nécessaire pour les écarter; d'où il résulte que travail interne, dans la dilatation des solides, est toujours très grand par rapport au travail externe.

Dans les liquides et dans les gaz, on verra que c'est le contraire qui a lieu : le travail externe l'emporte sur le travail interne.

THERMOMETRIE.

608. Température : définitions. — On appelle température d'un corps son état calorifique actuel, caractérisé par la constance de son volume. Si ce volume vient à augmenter ou à diminuer, on dit que la température du corps s'élève ou s'abaisse.

Remarque. — Dans la théorie dynamique, la température est la représentation sensible de l'énergie de la force vive que possèdent les molécules, et c'est quand cette énergie croit ou décroit que la température s'élève ou s'abaisse

Thermométrie. — L'imperfection de nos sens ne nous permettant pas de mesurer la température des corps d'après les sensations plus ou moins vives de chaleur ou de froid qu'ils excitent en nous, on a dû recourir aux effets physiques que la chaleur produit sur les corps. Ces effets sont de plusieurs sortes. On a adopté les dilatations et les contractions, comme les plus simples à observer.

L'ensemble des méthodes et des procédés employées pour mesurer les températures constitue la thermométrie.

Thermomètres. — On appelle thermomètres les instruments qu servent à mesurer les températures1.

609. Choix des substances thermométriques. — Les solides étant

très peu dilatables, les corps dont on utilise la dilatation pour la thermométrie sont généralement les liquides. Cependant les physiciens font aussi usage de la dilatation des gaz dans un instrument, connu sous le nom de thermomètre à air, que nous décrirons après la dilatation des gaz (656). Pour le moment, il ne sera question que des thermomètres à liquides. Le mercure et l'alcool sont les liquides exclusivement employés. Le premier est le liquide thermométrique par excellence . d'abord, parce qu'il est de tous les liquides celui qui se dilate le plus régulièrement; puis, parce qu'il n'entre en ébullition qu'à une température très élevée ; enfin, parce qu'il se met plus promptement que les autres liquides en équilibre de température avec les corps ambiants. Il doit

1. L'invention des thermomètres date de la fin du seizième siècle. Elle est attribuée par les uns à Galilée, par les autres à Drebbel, médecin hollandais, ou à Sanctorius, médecin vénitien.

cette dernière faculté à ce qu'il est un métal et que, par suite, 1° il est bien meilleur conducteur de la chaleur que tous les liquides, et 2° il exige moins de chaleur pour s'échauffer d'une quantité donnée. Quant à l'alcool, son usage est fondé sur ce que ce liquide ne se congèle pas par les plus grands froids naturels connus1.

610. Thermomètre à mercure : généralités. — Le thermomètre à mercure est le plus répandu. Il se compose d'un tube capillaire, ou tige, de Yerre ou de cristal, soudé à un réservoir cylindrique ou sphérique de même matière. Le réservoir et une partie du tube sont remplis de mercure, et une échelle, graduée sur le tube même, ou sur une plaque de cuivre qui lui est parallèle, fait connaître la dilatation du liquide.

Outre la soudure de la tige au réservoir, laquelle se fait à la lampe d'émailleur, la construction d'un thermomètre comprend trois opérations : la division du tube en parties d'égale capacité, V introduction du mercure dans le réservoir, et la graduation.

611. Division du tube en parties d'égale capacité. — Les indications du thermomètre n'étant exactes qu'autant que les divisions de la tige correspondent à des dilatations égales du mercure qui est dans le réservoir, il importe que la tige soit graduée en parties d'égale capacité. Si la tige était parfaitement calibrée, c'est-à-dire si elle était constituée par un tube bien cylindrique et d'un diamètre constant, il suffirait, pour obtenir des capacités égales, de diviser celui-ci en parties d'égale longueur. Mais les tubes de verre étant généralement mal calibrés, 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 a soin de maintenir à zéro, et qu'on fait avancer dans le tube progressivement sur toute sa longueur. Une règle divisée en millimètres, sur laquelle le tube est appliqué, permet d'évaluer, à un dixième de millimètre près, la longueur que la colonne de mercure occupe dans toutes ses positions. Si cette longueur demeure invariable, c'est que le tube est bien calibré; si elle croît ou décroît, cela montre que le diamètre intérieur est variable. Lorsqu'on observe ainsi des variations de longueur de plusieurs millimètres, on rejette le tube, et l'on en cherche un plus régulier. Mais si ces

1. Nous verrons plus loin que l'alcool a été récemment congelé, à l'aide de froids artificiels, par M. Wroblewski.

TIIERMOMÉTRIE.

variations sont peu sensibles, on colle le long du tube une bande de papier, et l'on marque un trait au crayon en regard des points occupés successivement par les extrémités de la colonne.

Les divisions ainsi formées indiquent nécessairement des capacités égales, puisqu'elles correspondent à un même volume de mercure. Les intervalles de ces divisions étant assez rapprochés pour qu'on puisse regarder 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. Cette dernière opération s'effectue à l'aide d'une machine à diviser.

612. Remplissage du thermomètre. — Pour introduire le mercure dans le thermomètre, on soude, à l'extrémité supérieure de la tige, un entonnoir de verre C (fig. 663), qu'on emplit de mercure; puis, inclinant un peu le tube, on dilate l'air qui est dans le réservoir, en chauffant celui-ci avec une lampe à alcool, ou bien en le plaçant sur une grille inclinée, comme pour le baromètre (fig. 224), et l'entourant de charbons incandescents. L'air dilaté sort en partie par l'entonnoir C. Si on laisse alors refroidir le tube tout en le maintenant dans une position verticale, l'air qui reste se contracte, et la pression atmosphérique force le mercure à passer dans le réservoir D, quelque capillaire que soit le tube. Mais le mercure cesse de pénétrer dans le réservoir dès que l'air y a atteint, par suite de la diminution de volume, une pression capable de faire équilibre à la pression extérieure. On chauffe alors de nouveau et on laisse refroidir comme prédemment :

il entre une nouvelle quantité de mercure, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il ne reste plus dans le réservoir D qu'un très petit volume d'air. Pour le chasser, il faut chauffer le mercure jusqu'à ce qu'il entre en ébullition. Les vapeurs mercurielles, en se dégageant, entraînent alors tout ce qui restait d'air et d'humidité dans le tube et dans le réservoir.

L'instrument étant ainsi rempli de mercure sec et pur, on

Fiç. GG3.

enlève l'entonnoir [C, puis on ferme le tube à la lampe d'émailleur. On a soin de chauffer auparavant le réservoir D, 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 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 D de manière que le liquide dilaté atteigne le sommet du tube. De la sorte, il ne reste pas d'air dans le thermomètre, ce qui est nécessaire; car l'air comprimé, lorsque le mercure monte, pourrait faire éclater le tube.

613. Graduation du thermomètre : points fixes de l'échelle. — Après avoir rempli le thermomètre, il reste à le graduer, c'est-àdire à convertir les divisions de la tige en une échelle des températures. Pour cela, on commencera par marquer, sur cette tige, deux points fixes qui correspondent à deux températures faciles à reproduire et toujours identiques à elles-mêmes.

Or l'expérience a fait connaître que la température de fusion de la glace est invariable quelle que soit la source de chaleur qui produise la fusion, et que l'eau distillée, sous une même pression et dans un vase de métal, entre en ébullition toujours à la même température. En conséquence, on a pris pour premier point fixe la température de la glace fondante et l'on en a fait le zéro de Ï échelle des températures; on a pris pour second point fixe la température à laquelle l'eau distillée, chauffée dans un vase métallique, entre en ébullition sous la pression normale de 0m,76, et l'on en a fait le degré 100. La graduation du thermomètre comprend donc trois opérations : la détermination du zéro, celle du point 100, et le tracé de l'échelle.

1. Détermination du zéro. — Pour trouver le zéro, on remplit de glace pilée un vase dont le fond est percé d'un trou pour laisser écouler l'eau provenant de la fusion de la glace (fig. 66k). On plonge le réservoir du thermomètre et une partie de la tige dans cette glace, pendant un quart d'heure environ. La colonne de mercure s'abaisse graduellement, puis reste stationnaire. Alors, au point où s'arrête le mercure, on

Fiff. 66i,

THERMOMÉTRIE.

marque un irait au crayon sur une bande de papier préalablement collée sur la tige : c'est la place du zéro.

Remarque. — Ce zéro est arbitraire. Le zéro absolu serait celui qui correspondrait à l'absence de toute chaleur dans les corps, c'est-à-dire au repos absolu des molécules vibrantes. On verra plus tard comment on peut l'évaluer théoriquement, et de combien il est au-dessous de la température de la glace fondante (660).

II. Détermination du point 100. — Le second point fixe se dé-

Fiff. 665.

Fiff. m.

termine au moyen de l'appareil représenté en perspective par la figure 665 et en coupe verticale par la figure 66Q.

Tout l'appareil est en cuivre rouge. Un gros tube central A, ouvert à ses deux bouts (fig. QQ6)^ est fixé sur un vase cylindrique M, contenant de l'eau ; une sorte de manchon B, concentrique au tube A, et l'entourant en entier, est fixé sur le même vase M. Cette seconde enveloppe, fermée à ses deux extrémités, est munie de trois tubulures a, E, D : dans la première est un bouchon au centre duquel passe la tige t du thermomètre dont on cherche le point 100; à la seconde est adapté un manomètre tronqué en verre, destiné à mesurer la tension de la vapeur dans l'appareil ;

enfin, la troisième tubulure D permet à la vapeur de se dégager dans l'atmosphère après qu'elle a circulé autour du thermomètre. L'appareil étant placé sur un fourneau est chauffé jusqu'à l'ébullition de l'eau : la vapeur produite s'élève dans le tube A et se rend entre les deux enveloppes, comme le montrent les flèches, jusqu'à la tubulure D, par où elle s'échappe dans l'atmosphère. Le thermomètre t se trouvant ainsi entouré par la vapeur, le mercure qu'il contient se dilate, et lorsque la colonne est devenue stationnaire, on marque au point «, où elle s'arrête, un trait qui est le point 100 cherché. La deuxième enveloppe B empêche le refroidissement du tube central en le préservant de tout contact avec l'air.

Iïï. Construction de V échelle. — Les deux points fixes étant obtenus, on partage l'intervalle qui les sépare en 100 parties égales, qu'on nomme degrés, et l'on continue ces divisions au-dessus du point 100 et audessous du zéro. L'ensemble de ces divisions constitue Y échelle thermométrique (fig. 667). Si la tige du thermomètre était bien calibrée, il suffirait, pour avoir les degrés, de partager en 100 parties égales l'intervalle de zéro à 100; mais, cette condition n'étant jamais rigoureusement satisfaite, il faut faire usage des divisions d'égale capacité qui ont été tracées préalablement. 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 et fraction de division qui équivaut à 1 degré; on en déduit ensuite, à partir du zéro, la position de chaque degré. Dans les thermomètres de précision, l'échelle est tracée sur le verre même de la tige (fig. 668). Elle ne peut ainsi se déplacer, et sa longueur reste sensiblement constante, le verre étant très peu dilatable. Dans ce cas, pour obtenir sur le verre des traits permanents, on recouvre, à chaud, la tige thermométrique d'une légère couche de vernis ; puis, avec une pointe d'acier, on marque sur le vernis les traits de l'échelle et les chiffres correspondants.

Fig. 667. Fig. 668.

THERMOMETRIE. 811

On expose enfin la tige, pendant dix minutes, à des vapeurs d'acide fluorhydrique qui attaquent le verre et gravent les traits en creux partout où le vernis avait été enlevé.

Remarque. — Les degrés se désignent par un petit zéro placé à droite du nombre qui marque la température, et un peu audessus. Pour distinguer les températures au-dessous de zéro de celles au-dessus, on les fait précéder du signe — (moins) : 15 degrés au-dessous de zéro se représentent donc par — 15°.

614. Précautions à prendre pour la graduation. — 1° La détermination du point 100 de l'échelle thermométrique semble exiger que la hauteur du baromètre soit 0m,76 pendant l'expérience; on verra, en effet, que lorsque cette hauteur est plus grande ou plus petite que 0m,76, non seulement la température d'ébullition se trouve portée au-dessus ou au-dessous de 100°, mais que la température de la vapeur est elle-même élevée ou abaissée d'une quantité égale. Toutefois on peut obtenir, dans tous les cas, le point 100 avec exactitude au moyen de la correction suivante. L'expérience a fait voir que, lorsque la colonne barométrique monte ou descend de 27 millimètres, la température d'ébullition s'élève ou s'abaisse de 1° : la variation est donc —■ de degré par millimètre. Par conséquent, si la hauteur du baromètre est, par exemple, 766 millimètres au moment où l'on prend le point 100, l'excès de pression audessus de 760 étant de 6 millimètres , le nombre de degrés correspondant au sommet de la colonne mercurielle dans le thermomètre n'est pas 100, mais 100 + ^x6 = 100 + 1.

2° Gay-Lussac avait observé que l'eau entre en ébullition à une température un peu plus haute dans un vase de verre que dans un vase de métal, et, de plus, que la température d'ébullition est élevée par les sels que l'eau tient en dissolution ; aussi admettait-on que, pour déterminer le point 100 des thermomètres, il fallait faire usage d'un vase de métal et d'eau distillée. Mais ces deux précautions ont été rendues inutiles par la découverte du physicien suédois Rudberg. Ce savant a reconnu, en effet, que la nature du vase et les sels en dissolution influent bien sur la température d'ébullition de l'eau, mais non sur celle de la vapeur qui se produit. C'est-à-dire que, l'eau étant à plus de 100°, par l'une des causes ci-dessus, la vapeur qui s'en dégage est néanmoins à 100°, pourvu que la pression atmosphérique soit égale à 0m,76.

Dès lors, pour prendre le point 100, il n'est pas nécessaire de faire usage d'eau distillée, ni d'un vase de métal. Il suffit, la pression étant 0at16 — sinon la correction se fait comme ci-dessus — que le thermomètre plonge tout entier dans la vapeur et non dans l'eau chaude. Du reste, même en faisant usage d'eau distillée, le réservoir du thermomètre ne doit pas plonger dans l'eau bouillante; car il n'y a que la surface de celle-ci qui soit réellement à 100° : la température de l'eau croît de tranche en tranche vers le fond, à cause de l'excès de pression.

615. Différentes échelles thermométriques. — On en distingue trois principales : Y échelle centigrade, Y échelle de Réaumur et Y échelle de Fahrenheit.

1° Échelle centigrade. — L'échelle centigrade est celle dont nous avons indiqué ci-dessus la construction; elle est généralement adoptée en France. Elle est due au physicien suédois Celsius.

2° Échelle Réaumur. — Dans une seconde échelle, proposée en 1731 par le physicien français Réaumur, les deux points fixes cor-

respondent encore à la température de la glace fondante et à celle de l'eau bouillante, mais leur intervalle est partagé en 80 degrés.

80° Réaumur équivalent donc à 100° centigrades : il en résulte que 1° R. est égal à -^ ou £ de degré C. Réciproquement, 1° C. est égal à ^ ou | de degré R. Donc, pour convertir un nombre de degrés R. en degrés C, 20 degrés par exemple, il faut multiplier ce nombre par |. De même, pour convertir les degrés C. en degrés R., il faut les multiplier par £.

5° Échelle Fahrenheit. — Fahrenheit propagea, en 1714;, une échelle dont l'usage s'est répandu depuis en Hollande, en Angleterre et dans l'Amérique du Nord. Le point fixe supérieur de cette échelle correspond encore à la température de l'eau bouillante ; mais le zéro correspond au degré de froid qu'on obtient en mélangeant des poids égaux de sel ammoniac pilé et de neige : l'intervalle des deux points est divisé en 212 degrés. Le thermomètre F., dans la glace fondante, marque 32°; par conséquent, 100° C. équivalent, en degrés F., à 212 moins 52, ou 180°; 1° C. vaut donc ^ ou f de degré F., et, réciproquement, 1° F. égale ^ ou J de degré C.

4° Conversion des échelles. — Soit à convertir en degrés C. une température en degrés F., par exemple 95°. On doit d'abord retrancher 52 du nombre donné, afin de comparer les deux échelles à partir d'un même point. Le reste est ici 63; or, 1° F. valant f de degré C, 65° F. égalent f x 65 ou 55° C.

Formules de conversion. — En représentant par U la température donnée en degrés F., et par tc la température correspondante en degrés C, on a la formule

qui indique les calculs à effectuer pour opérer la conversion. De cette égalité on tire

[2] fr=«eXg + 32,

formule qui sert à convertir les degrés C. en degrés F.

Remarque. — Ces formules sont générales et s'appliquent à toutes les températures supérieures ou inférieures aux zéros des échelles à comparer ; seulement il faut tenir compte des signes de U et de tc. Par exemple, soit proposé de trouver quelle est la température en degrés C. lorsque le thermomètre F. marque 5°.

THERMOMÉTRIE. 813

On a par la formule [1]

De même, le thermomètre C. marquant — 15, la formule [2] donne

S'il s'agissait de convertir des degrés F. en degrés R., on trouverait de la même manière l'équation de correction

616. Déplacement du zéro. — Les thermomètres construits même avec le plus grand soin sont soumis à une cause d'erreur dont il importe de tenir compte : avec le temps, le zéro tend à se relever, c'est-à-dire que, le thermomètre étant plongé dans la glace fondante, le mercure ne descend plus au zéro de l'échelle : le déplacement va quelquefois jusqu'à 2 degrés.

On a d'abord attribué ce phénomène à une diminution du volume du réservoir, laquelle résulterait de la pression extérieure, le vide étant fait dans le thermomètre; mais on a observé que dans les thermomètres qui contiennent de l'air, ou qui sont ouverts à l'extrémité de la tige, le zéro se déplace comme dans ceux qui sont vides. Aujourd'hui, on explique le déplacemetit du zéro par un travail moléculaire que subit le verre du réservoir lorsque, après avoir été porté à la température d'ébullition du mercure, il se refroidit rapidement. Il s'opère une espèce de trempe qui augmente le volume du réservoir, et c'est parce que celui-ci revient peu à peu à son volume primitif que le zéro se trouve relevé. Ce travail moléculaire est lent; car, d'après les expériences de Despretz, le zéro remonte pendant plusieurs années.

Remarques. — 1° Outre le déplacement lent dont on vient de parler, on observe des variations brusques dans la position du zéro toutes les fois que le thermomètre a été porté à une température élevée. En effet, si on le plonge alors dans la glace fondante, le mercure ne descend pas au zéro, et n'y revient qu'au bout d'un certain temps.

2° Il importe donc, lorsqu'il s'agit de mesurer une température avec précision, de vérifier d'abord la position du zéro dans le thermomètre dont on veut faire usage.

617. Limites de l'emploi du thermomètre à mercure. — Le mercure entre en ébullition à 350° et se congèle à — 39°. Ce sont donc là deux limites qu'on ne peut dépasser dans l'emploi du thermomètre à mercure. Mais l'expérience ayant appris que la dilatation du mercure n'est régulière (c'est-à-dire proportionnelle à l'élévation de la température) que de — 36° à 100°, et qu'au delà, depuis 100° jusqu'à 350°, son coefficient de dilatation va en croissant, il s'ensuit que le thermomètre à mercure ne donne des indications précises qu'entre — 36° à 100°. Pour les températures plus élevées, ses indications ne sont qu'approximatives et l'erreur peut s'élever à plusieurs degrés.

Du reste, il arrive souvent que deux thermomètres à mercure, qui sont d'accord à 0° et à 100°, ne le soient pas entre ces deux points, quoique placés dans les mêmes conditions. Cela résulte de ce que tous les verres, n'ayant pas la même composition chimique, ne sont pas également dilatables. Et comme on n'observe dans le thermomètre qu'une dilatation apparente du mercure, c'està-dire V excès de sa dilatation absolue sur celle du verre. lorsque deux thermomètres ne sont pas formés d'un verre identique, il doit y avoir généralement des différences dans la marche des colonnes mercurielles : c'est ce qu'on exprime en disant que les instruments ne sont pas comparables,

618. Conditions de sensibilité. — On peut considérer la sensibilité d'un thermomètre sous deux points de vue. En effet, un thermomètre est sensible : 1° lorsqu'il accuse de très petites variations de température; 2° quand il se met promptement en équilibre de température avec les corps ambiants.

On obtient le premier genre de sensibilité en donnant au thermomètre une tige très capillaire, soudée à un réservoir un peu gros. La marche du mercure dans la tige est alors limitée à un petit nombre de degrés, par exemple de 10 à 20, ou de 20 à 30, et chaque degré occupe une grande longueur sur la tige ce qui donne le moyen d'évaluer des fractions de degré très petites. Avec dix thermomètres de ce genre, dont chacun comprendra 10 degrés de 0° à 10°, de 10° à 20°, etc., on pourra mesurer, avec une grande précision, toute température comprise entre 0° et 100° (fig. 669). C'est ce qu'on appelle une série de thermomètres à échelles fractionnées.

Le second genre de sensibilité se réalise en donnant au thermomètre un très petit réservoir; car moins le mercure a de masse, plus il prend rapidement la température du milieu dans lequel il se trouve.

Fig. 669.

619. Thermomètre a alcool. — Le thermomètre à alcool contient, au lieu de mercure, de l'alcool coloré en rouge avec de

TIIERMOMÉTRÏE.

l'orseille. Le remplissage en est facile, parce que ce liquide bout à la température peu élevée de 79°.

Construction. — Après avoir chauffé légèrement le réservoir, pour faire sortir un peu d'air, on plonge l'extrémité ouverte de la tige dans l'alcool coloré en rouge; par le refroidissement, l'air qui reste dans le réservoir se contracte, et la pression atmosphérique y fait monter une petite quantité d'alcool (fig. 670). On chauffe alors jusqu'à l'ébullition : les vapeurs d'alcool qui se dégagent entraînent tout l'air qui se trouve dans le réservoir et dans la tige. Il suffit ensuite , après quelques instants d'ébullition, de retourner brusquement le thermomètre et d'en plonger de nouveau l'extrémité dans l'alcool. Les vapeurs se condensent, le vide se fait à l'intérieur et, par l'effet de la pression atmosphérique, le

réservoir et la tige se remplissent complètement. Toutefois, l'alcool qui pénètre dans le réservoir s'échauffant, l'air qui y était en dissolution se dégage, et une petite bulle gazeuse apparait. Pour l'expulser, on attache l'extrémité de la tige à une petite corde, et on fait tourner rapidement l'instrument comme une fronde. Par l'effet de la force centrifuge, l'alcool, qui a le plus de masse, est refoulé vers la boule et en chasse la bulle d'air; enfin l'on chauffe doucement jusqu'à faire sortir la moitié ou les deux tiers du liquide contenu dans la tige, puis on en soude l'extrémité à la lampe, mais en ayant soin d'y laisser de l'air. Celui:ci est destiné à retarder, par sa force élastique, le point d'ébullition de l'alcool, et à empêcher, lorsqu'on incline le tube, que la colonne liquide ne se divise en plusieurs tronçons.

Graduation. — On prend le zéro dans la glace fondante, comme pour le thermomètre à mercure; mais pour point supérieur de l'échelle on ne peut prendre la température de l'eau bouillante, car l'alcool bout à 79°, et, au delà, sa vapeur pourrait acquérir une tension capable de briser le tube. C'est pourquoi la graduation se fait par comparaison avec un thermomètre étalon à mer-

Fig. 670.

cure, et en prenant seulement pour limite supérieure de l'échelle 60 ou 70°. A cet effet, on chauffe lentement, dans un même bain, le thermomètre à mercure et le thermomètre à alcool, et Ton marque successivement sur ce dernier les températures données par le thermomètre à mercure. Ainsi gradué, le thermomètre à alcool est comparable au thermomètre à mercure, c'est-à-dire qu'il donne les mêmes températures lorsqu'il est placé dans les mêmes conditions.

Le thermomètre à alcool a été adopté pour mesurer les très basses températures, parce que jusqu'à ces derniers temps on l'avait cru absolument incongelable. Toutefois, aux plus basses températures connues, l'alcool a l'inconvénient de devenir sirupeux; de plus, les différents alcools n'ayant pas le même degré d'hydratation, on a vu des thermomètres à alcool, exposés à un refroidissement égal, différer de plusieurs degrés. Pour obvier à ce double inconvénient, on a proposé de remplacer l'alcool par le sulfure de carbone, liquide qui ne contient point d'eau et conserve la même fluidité aux plus basses températures; mais M. I. Pierre a fait voir que les liquides qu'on doit préférer sont l'éther sulfurique et le chlorure d'éthyle.

620. Thermomètres différentiels. — Leslie, physicien écossais, a construit le premier un thermomètre destiné à faire connaître la différence des températures en deux points voisins; de là son nom de thermomètre différentiel.

1° Thermomètre de Leslie. — C'est un thermomètre à air. Il se compose de deux boules de verre égales, remplies d'air et réunies par un tube recourbé, d'un petit diamètre, fixé sur une planchette (fig. 671). Avant que l'appareil soit fermé, on y introduit un liquide coloré, en quantité suffisante pour remplir la branche horizontale du tube et la moitié environ des branches verticales. Il importe de choisir un liquide qui ne donne pas de vapeur aux températuresjordinaires ; c'est pourquoi on fait usage d'acide sulfurique coloré en rouge. L'appareil étant ensuite fermé, on fait passer de l'air d'une boule dans l'autre, en les échauffant inégalement, jusqu'à ce que, la température étant redevenue la même des Fi-. 671. deux côtés, le niveau soit à la même hauteur

dans les branches verticales : on n'y parvient qu'après quelques tâtonnements. On marque alors zéro à chaque

Fiff. 072.

THERMOMÉTRIE. 817

extrémité de la colonne liquide. Pour continuer la graduation, on

maintient Tune des boules à la température de zéro, et l'autre à

10°. L'air de la dernière se

dilate et refoule la colonne

liquide ba, qui s'élève dans

l'autre branche. Lorsque

cette colonne est devenue

stationnaire, on marque 10,

de chaque côté, aux niveaux

du liquide dans chaque

branche ; puis on partage

les intervalles de zéro à 10

en dix parties égales, et

l'on continue les divisions

au-dessus et au-dessous du

zéro.

2° Thermomètre de Mat-

thiessen. — La figure 672 représente la disposition que Matthiessen a donnée au thermomètre différentiel pour l'appliquer à la mesure des températures de deux liquides.

5° Thermoscope de Rumford. — Cet instrument diffère peu du thermomètre de Leslie et fut construit par le physicien Rumford presque à la même époque. Les boules en sont plus grosses, la branche horizontale est plus grande et porte la graduation.

L'index E (fig. 675) n'a que deux centimètres de longueur environ, et l'on marque encore un zéro à chaque extrémité, lorsque, les deux boules étant à la même température, il occupe le milieu de la branche horizontale. La graduation se fait ensuite absolument comme pour le thermomètre de Leslie. Un appendice D sert à régler l'appareil : lorsqu'il y a trop d air du côté de l'une des boules, on fait passer l'index dans 1 appendice, ce qui permet à l'air de se rendre dans l'autre

GANOT. ko

Fig. 675.

boule. Il suffit ensuite d'incliner le thermomètre pour faire rentrer l'index et lui faire reprendre sa position normale.

621. Thermomètre métallique de Bréguet. — Parmi les thermomètres

ordinaires (ou thermoscopes) on peut citer un thermomètre entièrement métallique, construit par Abraham Bréguet, et qui est remarquable par sa grande sensibilité.

Le principe de cet instrument est Y inégale dilatabilité des métaux. Il est formé de trois lames superposées, de platine, d'or et d'argent. Soudées ensemble sur toute leur longueur, elles sont ensuite passées au laminoir de manière à ne former qu'un ruban métallique très mince. On contourne ce ruban en hélice, puis on en fixe l'extrémité supérieure à un support, et l on suspend à l'autre extrémité une aiguille légère de cuivre, libre de se mouvoir sur un cadran horizontal qui porte une échelle centigrade (fig. 674).

L'argent, qui est le plus dilatable des trois métaux, forme la face intérieure de l'hélice ; le platine, qui est le moins dilatable, est à l'extérieur, et l'or est entre les deux. Lorsque la température s'élève, l'argent se dilate plus que le platine et que l'or, et l'hélice se déroule ; l'effet contraire a lieu quand la température s'abaisse. Ce thermomètre se gradue par comparaison avec un thermomètre étalon à mercure.

Remarques. — 1° Si l'on n'employait que l'argent et le platine, la grande différence de leurs dilatations pourrait occasionner une rupture de l'hélice. Mais la lame d'or empêche cet accident, à cause de sa dilatation intermédiaire. 2° Une tige métallique a, représentée sur la gauche de la figure, se met dans l'axe de l'hélice, pour la soutenir et l'empêcher de se déformer lorsqu'on déplace l'instrument.

622. Thermomètres à maxima et à minîma. — Dans les observations météorologiques, il est nécessaire de connaître la plus haute température du jour et la plus basse température de la nuit. Des thermomètres ordinaires ne pourraient conduire à la connaissance de ces températures que par une observation continue, ce qui serait tout à fait impraticable. Aussi a-t-on imaginé, pour ce genre de mesures, des instruments particuliers, dits thermomètres à maxima et à minima.

Thermomètres de Rutherford. — Les plus simples sont ceux de Rutherford. Sur une glace sont fixés deux thermomètres dont les

Fig. 674.

TIIERMOMETRIE.

tiges sont recourbées horizontalement. Dans le premier, qui est à mercure, il y a un petit cylindre de 1er A (fîg. 675), qui peut glisser librement dans le tube. Ce cylindre, qui sert d'index, étant mis en contact avec l'extrémité de la colonne de mercure, et l'instrument étant disposé horizontalement, lorsque la température s'élève, le mercure se dilate et pousse devant lui l'index. Celui-ci s'arrête aussitôt que le mercure cesse de se dilater; mais il de-

Fig. 675.

meure au même point de la tige lorsque le mercure se contracte, parce qu'il n'y a pas adhérence entre ce liquide et le fer. Le point où s'arrête l'index marque donc la plus haute température qui se soit produite. (Sur le dessin, l'index marque un peu plus de 50°.) Dans le thermomètre à minima, le liquide est de l'alcool dans lequel plonge entièrement un petit cylindre d'émail B destiné à servir d'index (fig. 675). Si la température s'abaisse tandis que le cylindre est à l'extrémité de la colonne liquide, celle-ci^ qui mouille l'émail et y adhère légèrement, l'entraîne avec elle en se contractant : l'index avance ainsi jusqu'au point où a lieu le maximum de contraction du liquide. Quant la température s'élève, l'alcool se dilate et passe entre la paroi du tube et l'index, sans que celui-ci se déplace. Par conséquent, l'extrémité de l'index la plus éloignée du réservoir indique la plus basse température à laquelle ait été porté l'instrument. (C'est à peu près — 9° ~ dans le dessin ci-dessus.)

623. Thermomètre à maxima de Negretti et Zambra. — Le thermomètre à maxima de Rutherforcl présente l'inconvénient de n'être pas portatif. Si on le meut brusquement, le petit index de fer s'engage dans le mercure et alors, quand ce liquide se dilate, il ne chasse plus devant lui l'index, mais passe dans l'intervalle qui existe entre celui-ci et le verre. L'index reste alors immobile, et le thermomètre ne fonctionne plus.

Pour éviter cet inconvénient, Negretti et Zambra ont modifié cet instrument.

Ayant introduit dans le tube du thermomètre un petit index de verre ad (fig. 676), ils chauffent à la lampe et courbent le tube, au point même où est l'index; de cette manière celui-ci-est fixe, mais cependant il n'obstrue pas le tube et ne s'oppose pas à la dilatation du mercure qui est dans le réservoir. Le thermomètre étant placé horizontalement, lorsque la température s'élève, le mercure du réservoir se dilate, passe entre l'index et les parois du tube, et avance, par exemple, jusqu'en c; mais lorsqu'il y a ensuite abaissement de température et contraction du mercure, la résistance que celui-ci éprouve

Fig 676.

pour repasser entre l'index et le tube l'emporte sur la cohésion des molécules de mercure entre elles, la colonne de reste en place, et le vide se fait de a en b. On a donc en c la température maxima à laquelle l'instrument a été porté. Four ramener ensuite le mercure au-dessous de l'index, il n'y a qu'à tenir un instant le tube dans une position verticale, le mercure passe en vertu de son poids.

Quant à l'erreur qui peut résulter du refroidissement de la colonne de mercure cd au moment où l'on consulte le thermomètre, elle peut être négligée; car, en calculant d'après les formules des dilatations (631, IV), on trouve que, pour un refroidissement de 25°, elle ne peut dépasser 1 dixième de degré.

624. Thermomètre à maxima de Walferdin, ou Thermomètre à déversement. — Ce thermomètre, dit à déversement, a la forme d'un thermomètre à mercure ordinaire. Seulement, à la partie supérieure, il est muni d'un petit réservoir ou panse, où la tige pénètre et se termine par une pointe effilée et ouverte (fig. 677).

Préparation de l'instrument. — Dans cette panse est du mercure destiné à amorcer l'instrument, c'est-à-dire à remplir complètement la tige à chaque observation. Pour cela, on chauffe le réservoir inférieur jusqu'à ce que le mercure, en se dilatant, commence à sortir par la pointe effilée. On retourne alors l'instrument, le mercure qui est dans la panse descend vers la pointe et celle-ci y plonge en entier; puis on laisse le thermomètre se refroidir lentement, en ayant soin de le tenir toujours renversé. Par le refroidissement, le mercure du réservoir se contracte, et, par un effet de cohésion, il en passe une certaine quantité de la panse dans la tige, et celle-ci se trouve complètement remplie.

Usage. — Pour faire usage de cet instrument, on commence par l'amorcer a une température inférieure à celle qu'il s'agit d'observer, puis on le place dans le lieu dont on veut connaître le maximum de la température. S'il vient d'abord à se refroidir, il n'y a aucun inconvénient, puisqu'il n'entre ni ne sort de mercure. Mais si la température s'élève, le mercure se dilate, une partie se

THERMOMÉTRIE.

déverse dans la panse sans pouvoir rentrer dans le thermomètre, parce que celui-ci est alors dans la position représentée dans la figure 677. Pour déterminer ensuite la plus haute température à laquelle l'instrument a été porté, on le compare à un thermomètre étalon, en le chauffant à côté de celui-ci, dans un même bain, jusqu'à ce que le mercure remonte au sommet de la tige et soit prêt à en sortir. Consultant alors le thermomètre étalon, on a très approximativement, par une simple lecture, la température la plus haute à laquelle ait été porté le thermomètre à maxima.

Thermomètre à minima de Walferdin. — Walferdin a aussi construit un thermomètre à minima; il est encore à déversement, mais à deux liquides et d'un usage moins facile que le précédent.

Remarque. — Ces thermomètres sont surtout utilisés pour prendre les plus hautes ou les plus basses températures du fond des lacs, des mers ou des puits. Toutefois il faut alors les renfermer dans un tube de verre qu'on soude ensuite à la lampe, afin de les soustraire à la pression extérieure, qui diminuerait le volume du réservoir et en ferait sortir une certaine quantité de mercure.

625. Pyromètres. — On nomme pyromètres des instruments propres à mesurer les hautes températures. On donne quelquefois le nom de pyromètre à l'appareil de la figure 660; mais, d'après la manière dont il est construit, ce n'est réellement qu'un pyroscope.

Brongniart avait fait construire, pour la Manufacture de porcelaine de Sèvres, un pyromètre (fig. 678) qui avait du rapport avec l'appareil de la figure 660. Cet instrument fut d'ailleurs abandonné du vivant même de

Fig. 677.

son auteur, parce qu'il ne donnait pas d'indications précises.

On a longtemps décrit dans les traités de physique le pyromètre de Wedgwood, fondé sur la propriété qu'a l'argile de se contracter lorsqu'elle est portée à une température élevée. Mais cet instrument, aussi bien que les précédents, manque absolument de précision; de plus, ils ne sont pas comparables.

Les seuls pyromètres précis sont le pyromètre à air et le pyromètre électrique : nous les décrirons plus loin.