- Thermomètre de Galilée
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Un thermomètre de Galilée
Un thermomètre de Galilée (du nom du physicien italien Galileo Galilei), est un thermomètre constitué d'un cylindre de verre scellé contenant un liquide transparent et une série d'objets dont les densités sont conçues pour qu'ils coulent un à un, à mesure que le liquide est chauffé et que sa densité diminue.
Sommaire
Historique
Cet instrument porte le nom de Galilée en l'honneur du physicien du XVIe - XVIIe siècle, Galileo Galilei, qui aurait inventé un instrument approchant. Le thermomètre conçu par Galilée se présente en réalité sous la forme très simple[1] décrite par Castelli relatant une présentation de Galilée datant de 1602 - 1603 :
« Ayant pris une petite carafe de verre de la grosseur d'un petit oeuf de poule, dont le col, du diamètre d'une tige de blé, avait deux palmes de long; et ayant bien chauffé dans la paume de ses mains le corps de la carafe, il la renversa et en plongea le col par son orifice dans un vase plein d'eau. Aussitôt qu'il eut dégagé de ses mains le corps de la carafe, l'eau se mit à monter dans le col et s'y éleva de plus d'une palme au-dessus de son niveau dans le vase. C'est d'après cette expérience que Galilée construit un instrument pour mesurer les degrés de chaud et de froid[2]. »
Mais Galilée s'est aussi beaucoup intéressé aux problèmes de flottabilité et à la mesure de densité jusqu'à mettre au point une balance hydrostatique[3].
Des thermomètres constitués de tubes contenant un liquide dans lequel se déplacent, selon la température, des sphères semblent exister, sous le nom de termometro infingardo[4] dès le XVIIe siècle si l'on en croit le catalogue du musée de la science de Florence[5]. Sa conception est en général attribuée au grand duc Ferdinand II de Médicis[6].
Conception typique
Un certain nombre de poids sont en suspension dans le liquide. En général les poids sont eux-mêmes des ampoules de verre scellées contenant des liquides de différentes couleurs pour produire un effet plus attrayant. Lorsque le liquide contenu dans le cylindre subit des changements de température, sa densité se modifie. Les ampoules sont alors libres de se déplacer, de monter ou descendre pour atteindre une position où leur densité est égale à celle du milieu liquide, leur mouvement pouvant être arrêté par d'autres ampoules. Si les densités de chacune des ampoules diffèrent un tant soit peu et qu'elles se trouvent classées de sorte que la moins dense soit en haut et la plus dense au bas, elles peuvent former une échelle de températures.
La température est généralement gravée sur un disque de métal suspendu sous chaque ampoule. En règle générale, un espace tend à séparer un groupe d'ampoules du haut d'un groupe du bas : la température doit être lue sur le disque situé à la base du groupe du haut ; si une ampoule flotte entre les deux groupes, on en déduit une température intermédiaire, un peu inférieure. Pour atteindre cet objectif, la fabrication d'un tel thermomètre doit avoir des tolérances de poids des ampoules de l'ordre du milligramme[7], [8].
Principe de fonctionnement
Un groupe de deux ampoulesLe thermomètre de Galilée fonctionne en raison du principe de flottabilité, qui détermine si un objet flotte ou bien coule dans un liquide, et fait que même des bateaux en acier peuvent flotter.
Le seul facteur qui détermine si un grand objet flotte ou coule dans un liquide est la densité de l'objet par rapport à la densité du liquide dans lequel il est placé. Si la masse de l'objet est supérieure à la masse du liquide déplacé, l'objet va couler. Si la masse de l'objet est inférieure à la masse du liquide déplacé, l'objet flotte.
Figure 1Supposons qu'il y ait deux objets, chacun étant un cube de 10 cm d'arête (c'est-à-dire d'un litre). La masse d'eau déplacée par un objet de cette taille est de 1 kg. L'objet brun, sur la gauche de la figure 1, flotte parce que la masse d'eau qu'il déplace (0,5 kg) est égale à la masse de l'objet. L'objet vert, à droite, coule parce que la masse d'eau qu'il déplace (1 kg) est inférieure à la masse de l'objet (2 kg).
Figure 2Tous les objets faits de la matière verte, comme celui de la figure 1, n'ont pas la propriété de couler. Dans la figure 2, l'intérieur de l'objet vert a été creusé. La masse totale de l'objet est maintenant de 0,5 kg, mais son volume demeure le même : il flotte alors à moitié hors de l'eau, comme le fait l'objet brun de la figure 1.
Dans les exemples ci-dessus, le liquide dans lequel baignent les différents objets est supposé être de l'eau. L'eau a une densité de 1 kg/l, ce qui signifie que la masse d'eau déplacée par l'un de ces objets, lorsqu'il est complètement submergé, est de 1 kg.
Or, lorsque la température augmente, un liquide a tendance à se dilater et sa densité baisse alors légèrement. C'est la clé du fonctionnement du thermomètre de Galilée.
Figure 3La figure 3 montre un objet creux de 1 kg fait de la matière verte. Dans le récipient de gauche, la densité du liquide est 1,001 kg/l : comme l'objet pèse moins que le volume d'eau qu'il déplace, il flotte. Dans le récipient de droite, la densité du liquide est 0,999 kg/l : comme l'objet pèse plus que le volume d'eau déplacé, il coule. Cela montre que de très petites modifications de la densité du liquide peuvent amener facilement un objet quasi-flottant à couler.
Dans le thermomètre de Galilée, les petites ampoules de verre sont partiellement remplies d'un autre liquide (de couleur). Une fois les ampoules scellées, leur densité est ajustée au moyen du métal des petits disques suspendus sous elles. Même si ces ampoules se dilatent et se contractent selon l'évolution des températures, l'effet sur leur densité est négligeable. Le chauffage et le refroidissement du liquide coloré et de l'air qu'elles contiennent, ne modifiant ni la masse ni le volume des ampoules, n'ont pas d'influence sur leur densité. Le liquide transparent dans lequel baignent les ampoules n'est pas l'eau. Les premiers thermomètres de Galilée contenaient de l'alcool plus sensible aux variations de température et moins susceptible de déposer des résidus ou de l'écume sur les ampoules ou dans le vase[9]. Dans les thermomètres de Galilée modernes, il s'agit d'un composé inerte d'hydrocarbures, probablement choisi parce que sa densité varie avec la température plus que celle de l'eau, ou bien parce que l'eau génère sur les bords du récipient des bulles d'air qui entravent le fonctionnement[10]. C'est le changement de densité du liquide transparent, lors des variations de température, qui détermine les mouvements verticaux des ampoules.
Figure 4La figure 4 montre une représentation schématique d'un thermomètre de Galilée à deux températures différentes.
Dans le cas du modèle de thermomètre représenté sur les photographies, gradué de deux en deux degrés Celsius ou de quatre en quatre Fahrenheit, il est précisé par le fabricant que la différence de poids de deux ampoules consécutives est d'environ 6 mg. La température est à lire sur la médaille inférieure du groupe d'ampoules situées en haut, éventuellement minorée d'un degré Celsius (ou de deux Fahrenheit) si une ampoule est en mouvement dans l'intervalle entre les deux groupes haut et bas. La précision de l'ensemble est de l'ordre d'un degré Celsius (ou deux Fahrenheit).
Bien entendu, les diamètres des ampoules et du tube sont prévus pour éviter tout désordre entre les ampoules, qui doivent descendre les unes après les autres dans l'ordre et sans se gêner, à mesure que s'élève la température ambiante. Il faut compter aussi sur un léger retard de réaction du thermomètre aux changements de température.
De nos jours
Les thermomètres existants ont une précision de quelques milligrammes pour les objets flottants (donc environ 0,5 °C). Il en existe à cinq, sept et huit boules principalement. L'inconvénient est qu'on ne peut pas aller à des températures trop basses ou trop hautes. Comme pour tous les thermomètres, l'exposition au soleil fausse les résultats.
Aujourd'hui, ils servent aussi d'objets décoratifs. Le fluide contenu dans le tube est un mélange d'hydrocarbures dont la nature exacte n'est pas divulguée ; les boules de verre sont quant à elles remplies d'eau ou d'alcool coloré.
Notes et références
- Voir une illustration sur le site The Galileo project
- Maximien Parchappe, Galilée: sa vie, ses découvertes et ses travaux, p 45
- Claude Boucher, Une brève histoire des idées de Galilée à Einstein, Les Editions Fides, 2008, p. 45
- Thermomètre à réaction lente
- Voir le "termometro infingardo" décrit p 138 et la planche 8 de la page 141
- Termometri a fiala Istituto e Museo di storia della Scienza ou Museo Galileo
- (en) What is a Galileo thermometer ?
- Perret Opticiens : instruments de météorologie, thermomètres
- (en) Acquarzente, Istituto e Museo di storia della Scienza ou Museo Galileo
- Fabriquer un thermomètre de Galilée
Voir aussi
Bibliographie
Liens externes
- (fr) Fabriquer un thermomètre de Galilée, site pédagogique
- (en) Galilean Thermometer
- (de) Das Galilei-Thermometer
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