THERMOMÈTRES A AIH. DENSITÉS DES GAZ

634 Défaut de comparabilité des différents thermomètres. — Tous les thermomètres à solides, à liquides ou à gaz, dont on a détermine les points fixes 0° et 100° par la méthode ci-dessus indiquée pour les thermomètres à liquides, seront nécessairement toujours d'accord pour ces deux températureslimites. Cela signifie que, placés dans les mêmes conditions, soit dans la glace fondante, soit dans la vapeur d'eau bouillante sous la pression normale, ils indiqueront tous les mêmes températures 0° et 100° *. Mais il n'y a pas de raison pour que ces instruments restent d'accord à tous les degrés de l'échelle des températures, soit intermédiaires aux points fixes, soit inférieurs à 0°, soit supérieurs à 100°. Pour qu'un thermomètre à alcool ou un thermomètre métallique indiquât par exemple 20° dans un milieu où le thermomètre à mercure marque 20°, il faudrait que le mercure, l'alcool et le métal subissent, dans les

mêmes circonstances, les -— de leur dilatation totale entre 0° et 100°, ce qui 100 ' n

ne pourrait avoir lieu que si les deux liquides et le métal avaient exactement

la même loi de dilatation. Or l'étude générale des dilatations nous a prouvé

que deux corps quelconques, solides, liquides ou gazeux, n'obéissent jamais

rigoureusement à la même loi de dilatation. Par conséquent, la mesure d'une

température quelconque, autre que 0° ou 100°, n'aura de signification précise

qu autant qu'on indiquera en même temps la nature du thermomètre qui a

servi à la mesurer.

635. Choix de la substance thermométrique. — 1° Substances solides. — De tous les thermomètres, ce sont les thermomètres à solides qui présentent au plus haut degré ce défaut de comparabilité. D'abord il est très difficile d'obtenir plusieurs échantillons d'un même corps solide, métal ou autre, qui soient préparés au même degré de pureté chimique : or la présence de substances étrangères, en proportion même infinitésimale mais variable, suffit pour apporter des modifications très notables dans la loi de la dilatation de la substance principale. Enfin, des échantillons du même métal, de composition chimique identique, ne restent pas comparables entre eux, et un même échantillon ne reste même pas comparable à lui-même, au bout d'un certain temps, parce- que les alternatives de dilatation et de contraction qu'il a subies déterminent dans sa structure moléculaire des variations qui modifient plus ou moins sa loi de dilatation.

Ainsi les thermomètres à solides ne sont pas des instruments comparables ; de plus, ce ne sont pas des instruments sensibles, à cause de la faible dilatation des solides. On a vu, en effet, que le coefficient de dilatation linéaire d'une barre métallique, de 0° à 100°, est compris entre 0,00001 et 0,00003.

2° Thermomètres à liquides. — Les liquides paraissent, à première vue, affranchis de tous ces défauts. D'abord, ils sont beaucoup plus dilatables, puisque le

1. A la condition toutefois que leur substance n'ait pas subi de retrait ou d'allongement analogue à celui qui produit, dans le thermomètre à mercure, l'anomalie du déplacement du zéro,

moins dilatable d'entre eux, qui est le mercure, a un coefficient supérieur à 0,00018 : par conséquent la sensibilité des thermomètres à liquides sera beaucoup plus grande que celle des thermomètres à solides. De plus, comme il est possible d'obtenir un même liquide à un état de pureté qui permet d'en considérer les différents échantillons comme identiques, il semble qu'on puisse construire avec les liquides des thermomètres comparables entre eux.

Mais cette comparabilité n'est qu'apparente, à cause de la nécessité où l'on se trouve d'enfermer les liquides et de les faire dilater dans des enveloppes solides. La dilatation propre du liquide sera donc compliquée de celle de l'enveloppent comme le verre, — substance nécessairement indiquée pour la construction des thermomètres, — a un coefficient de dilatation égal à un septième environ de celui du mercure, cette complication n'est pas négligeable. Or, d'une part, il y a des différences notables entre les coefficients des différents échantillons d'un même verre, à cause des petites variations de composition chimique ou des divers degrés de recuit ou de trempe qu'ils ont pu subir pendant la fabrication; d'autre part, une même enveloppe de verre subit des modifications dans sa propre loi de dilatation, par suite des alternatives d'échauffement et de refroidissement auxquelles son emploi l'assujettit. Il en résulte que non seulement les divers thermomètres à mercure, construits avec des échantillons d'un même verre, ne sont pas encore rigoureusement comparables entre eux, mais qu'un même thermomètre ne reste pas rigoureusement comparable à lui-même.

5° Thermomètres à gaz. — Les gaz, qui ont comme substance thermométrique une supériorité évidente sur les liquides au point de vue de la sensibilité (puisque leur coefficient de dilatation est beaucoup plus grand), leur sont encore très supérieurs au point de vue de la comparabilité. De cette grandeur même de leur coefficient il résulte que les petites différences qui existent entre les dilatations des diverses enveloppes de verre deviennent complètement négligeables. Par conséquent, deux thermomètres construits avec le même gaz seront toujours comparables entre eux, quelles que soient les différences du verre de leurs enveloppes ; et un même thermomètre à gaz restera toujours comparable à lui-même.

C'est donc un gaz qu'il faut choisir, de préférence à un liquide et à un solide, pour mesurer les températures; et parmi tous les gaz, c'est l'air qui sera le plus avantageux, à cause de la facilité qu'on a de l'obtenir pur, sec et toujours identique à lui-même.

656. Thermomètres à air. — Nouvelle définition du degré centigrade. — Tous les appareils qui ont servi à la détermination du coefficient de dilatation de l'air peuvent être employés, inversement, comme thermomètres à air. La manipulation et la mise en équation de chaque expérience seront exactement les mêmes, dans l'une quelconque des trois méthodes de Regnault. Seulement l'inconnue à dégager de l'équation sera T au lieu d'être «. Deux de ces trois méthodes sont particulièrement employées :

1° La méthode des dilatations à volume constant, à cause de sa précision;

2° La méthode des dilatations à volume et à pression variables, à cause de sa commodité.

La troisième méthode, celle de Gay-Lussac, présenterait un inconvénient au point de vue de la sensibilité : c'est que, l'élévation de température ayant pour effet de faire sortir du réservoir une portion de la masse gazeuse, la masse qui reste soumise à réchauffement va continuellement en diminuant, et l'effet de la température en est d'autant moins sensible : la sensibilité de cet instrument irait donc en décroissant. Dans la deuxième méthode, au contraire, la masse gazeuse soumise au foyer de chaleur est toujours la même, puisque le volume en est maintenu invariable; l'effet de l'élévation de température reste donc toujours le même, quelle que soit cette élévation, et la sensibilité de l'instrument reste constante. C'est pourquoi Regnault a choisi de

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préférence celte méthode thermométrique, et donné à l'instrument qui sert à l'appliquer le nom de thermomètre normal.

On définira donc, de la manière suivante, le degré centigrade du thermomètre à air normal. Soit H0 la force élastique d'une masse d'air sec et pur, à 0°. Soit Ht la force élastique qu'elle acquiert à 100°; la variation de température qui produit la centième partie de cette variation totale de pression (}{T jj \ — - 1 : c'est le degré centigrade normal.

Par conséquent, si l'on appelle h la variation de la pression acquise par la* masse d'air du thermomètre dans le milieu dont il s'agit d'évaluer la température, cette température .r, comptée «à partir de celle de la glace fondante, sera donnée par la formule

iOU

La variation h se déterminera à l'aide de l'opération indiquée précédemment (650). En supposant que la pression initiale H0 n'ait pas varié pendant la durée de l'expérience, on aura l'équation

a, étant le coefficient de dilatation de l'air sous volume constant (= 0,003665), 8 étant la température extérieure qu'on peut supposer constante, h la variation de pression donnée directement par la lecture du manomètre.

657. Pyromètre à air. — La troisième méthode et l'instrument de Dulong et Petit, perfectionnés par Regnault, peuvent être employés pour mesurer toutes les températures, mais ils sont particulièrement commodes pour les hautes températures. Lorsque l'appareil doit servir de pyromètre, il est nécessaire que le réservoir du gaz soit infusible aux températures que l'on veut mesurer. Pouillet (en 1836) avait adopté pour son pyromètre un réservoir de platine. Mais H. Sainte-Claire Deville ayant constaté que ce métal, aux très hautes températures, devient perméable aux gaz, lui substitua la porcelaine de Bayeux vernissée, dont il a-déterminé le coefiicient de dilatation cubique. (11 est égal à 0,0000165 entre 1000 et U00°, et à 0,0000200 vers 1500°.)

658. Thermomètres à gaz autres que l'air. — Regnault a essayé d'autres gaz que l'air comme substances thermométriques, en particulier Y hydrogène, Yacide carbonique et Yacide sulfureux. Pour chacun de ces thermomètres à gaz, il déterminait les points fixes 0° et 100° de la même manière et en même temps que pour un thermomètre à air pris comme type de comparaison.

Il a constaté que le thermomètre à hydrogène marche sensiblement d'accord avec le thermomètre à air, entre 0° et 325° environ. 11 en est de même du thermomètre à acide carbonique. Les divergences ne dépassent pas 0°,2.

Au contraire, le thermomètre à acide sulfureux se met en retard sur le thermomètre à air à partir de 100".

En général, on ne peut remplacer l'air par un autre gaz, pour la mesure des températures, qu'à la condition de prendre celui-ci à un état très éloigné de son point de liquéfaction.

659. Comparaison du thermomètre à air normal avec le thermomètre à mercure normal. — Le thermomètre à air présente un grand inconvénient au point de vue pratique : c'est la difficulté et la longueur des manipulations que chaque opération exige. Aussi, malgré sa précision, est-il beaucoup moins employé dans la pratique que le thermomètre à mercure. C'est celui-ci qui est le véritable thermomètre normal usuel.

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Mais pour obtenir des mesures précises avec un thermomètre à mercure il faudra le graduer préalablement par comparaison avec un thermomètre à air.

Des expériences de comparaison faites par Regnault entre différents thermomètres à mercure et un thermomètre à air normal ont conduit aux conclusions suivantes.

Des thermomètres à mercure, à réservoirs cylindriques ou sphériques de diverses dimensions et construits avec des verres différents, s'écartent du thermomètre à air de quantités notables et différentes entre elles. Le tableau suivant donnera une idée de la grandeur des divergences.