Thermomètre et baromètre

Un thermomètre montre la température par la longueur d'un filet de liquide dans un fin tube de verre, lue sur une échelle fixée par la glace fondante et l'eau bouillante. Son compagnon, le baromètre, pèse l'air par la hauteur de la colonne de liquide que l'atmosphère peut soutenir : environ 760 mm de mercure au niveau de la mer.

Ce que c’est

Un thermomètre change la température en une longueur qu’on peut lire. Un réservoir de verre plein de liquide se prolonge par un tube au canal très étroit. Quand le liquide se réchauffe, il se dilate et son filet monte le long d’une échelle.

Le baromètre est sorti des mêmes ateliers italiens et pèse l’air au-dessus de nous par la hauteur d’une colonne de liquide. Avec des thermomètres construits à l’identique, des observateurs de villes différentes ont pu comparer leurs relevés, comme le fit le premier réseau météorologique à partir de 1654.

Comment ça marche

Les liquides gonflent un peu quand on les chauffe : l’éthanol d’environ 0,11 % de son volume par degré, le mercure d’environ 0,018 %, le verre beaucoup moins. Le canal rend ce gain visible, puisque tout le volume en trop du réservoir doit s’y loger. Un réservoir contenant un cinquième de centimètre cube d’alcool gagne environ 0,2 mm³ par degré ; dans un canal de 0,2 mm de diamètre, cela fait un pas d’environ 7 mm.

Une échelle demande des repères que chacun peut reproduire. La glace pure fond toujours à la même température, et l’eau pure bout toujours à la même température sous la même pression d’air. L’échelle Celsius les appelle 0 et 100 et met cent pas égaux entre les deux. En altitude, l’eau bout à une température plus basse, à peu près un degré de moins tous les 300 m. Étalonner un instrument, c’est le comparer à ces points ou à une référence sûre et noter l’écart ; sans cela, deux thermomètres peuvent différer de plusieurs degrés. En cuisine aussi : l’agence britannique de sécurité des aliments demande 70 °C tenus deux minutes au cœur d’un plat cuit.

L’eau seule se contracte en se réchauffant entre 0 et 4 °C, et gèle à 0 °C. Les premiers thermomètres scellés contenaient de l’alcool, et à partir du XVIIIe siècle les instruments de précision surtout du mercure, qui reste liquide sur un large intervalle et ne mouille pas le verre.

Le baromètre de Torricelli était un tube de verre d’environ un mètre, fermé à un bout, rempli de mercure et retourné dans une cuvette de mercure. La colonne descendait jusqu’à ce qu’il en reste environ 760 mm au-dessus de la cuvette, avec un espace presque vide en haut. Son poids équilibre la poussée de l’air sur la surface libre. Le mercure est 13,6 fois plus dense que l’eau : un baromètre à eau demande plus de 10 m de tube, la hauteur même qui limite une pompe aspirante.

Près du niveau de la mer, la colonne baisse d’environ un millimètre tous les 11 m de montée, si bien qu’un baromètre mesure aussi l’altitude. Un baromètre qui baisse annonce souvent du vent et de la pluie, un baromètre qui monte du beau temps. Les baromètres anéroïdes remplacent le liquide par une capsule métallique scellée qui se déforme.

Comment le fabriquer

Le thermomètre à liquide est un instrument d’apprentissage : comparez-le à une référence pour connaître son erreur, et ne vous en servez jamais pour un aliment ni pour vérifier une fièvre. Le baromètre à bocal indique seulement si la pression monte ou baisse.

Le point fixe bas : le flacon reste dans la glace fondante jusqu’à ce que le filet s’arrête.

Le thermomètre à liquide. Prenez un petit flacon de verre d’environ 100 ml, une paille transparente d’au moins 25 cm et de la pâte à modeler. Mélangez à volumes égaux de l’eau et de l’alcool isopropylique à 70 %, teinté de colorant alimentaire : le mélange se dilate plus que l’eau et évite son comportement bizarre près du gel. Remplissez le flacon à ras bord, enfoncez bien la paille dans le liquide et scellez le goulot à la pâte, sans bulle d’air. À température ambiante, le liquide doit monter d’environ 8 cm au-dessus de la pâte ; ajoutez-en ou retirez-en un peu par la paille avec un compte-gouttes. Plus le flacon est grand et la paille fine, plus le pas par degré est grand. Collez une bande de papier derrière la paille.

Fixez les points. Posez le flacon dans un bol de glace pilée et d’un peu d’eau, assez profond pour le couvrir jusqu’au goulot. Remuez, attendez que le filet ne bouge plus, ce qui peut prendre un quart d’heure, et marquez 0 ; le liquide doit rester visible au-dessus de la pâte. Laissez-le revenir à température ambiante, puis placez-le à côté d’un thermomètre de cuisine numérique dans un bol d’eau tiède du robinet à environ 40 °C, remuez, attendez que les deux lectures se stabilisent et marquez la valeur de la référence ; le filet ne doit pas atteindre le haut. Si l’un des deux essais échoue, changez la quantité de liquide ou le flacon et reprenez les deux points. Divisez l’intervalle en pas égaux, puis comparez avec la référence à température ambiante pour connaître votre erreur. Ne pressez jamais le flacon.

Un baromètre à bocal : la membrane s’enfonce quand la pression monte, et la pointe de la paille se lève.

Le baromètre à bocal. Coupez le col d’un ballon de baudruche, tendez-le bien sur un bocal de verre à large ouverture et liez-le d’une ficelle pour que l’air ne passe pas. Collez un bout d’une longue paille au centre de la membrane et laissez l’autre dépasser du bord, devant une carte. Quand la pression extérieure monte, la membrane s’enfonce et la pointe se lève. L’air enfermé se dilate aussi à la chaleur : un degré déplace l’aiguille à peu près autant que 3,5 hPa de pression. Gardez le bocal à l’abri du soleil, dans une pièce dont la température varie peu, et comparez ses mouvements avec la tendance de pression donnée par le service météo.

La lecture. Gardez l’œil à la hauteur du haut du filet.

Sécurité. Ne fabriquez jamais d’instrument au mercure : sa vapeur est toxique. Si un vieux thermomètre au mercure se casse, faites sortir personnes et animaux et tenez-les dehors, ouvrez les fenêtres sur l’extérieur et fermez les portes vers le reste du logement. N’utilisez ni aspirateur ni balai. Sur un sol dur, avec des gants, rassemblez les billes avec un carton rigide, posez-les sur un essuie-tout humide, ramassez les plus fines avec du ruban adhésif et enfermez le tout dans un sac étiqueté. Sur un tapis ou un tissu d’ameublement, découpez ou mettez de côté la partie souillée et demandez conseil au service local de santé ou d’environnement. Une fois le nettoyage fini, aérez la pièce au moins 24 heures et apportez les déchets à une collecte de déchets dangereux selon les consignes locales. L’alcool isopropylique est inflammable et toxique : tenez-le loin des flammes et des enfants. Utilisez de l’eau chaude du robinet, jamais bouillante, et ne passez jamais un verre directement de la glace à l’eau chaude.

Histoire et évolution

Le thermoscope de Galilée : quand l’air de la fiole refroidit, l’eau monte dans le col.

Philon de Byzance et Héron d’Alexandrie savaient que l’air chauffé gonfle et pousse l’eau dans un tube. Benedetto Castelli se souvenait d’avoir vu Galilée présenter un tel thermoscope vers 1600, et en 1612 le médecin Santorio, à Venise, l’avait doté d’une échelle pour suivre les fièvres. Ouvert, il réagissait aussi à la pression de l’air.

Torricelli décrivit le baromètre à mercure dans une lettre de juin 1644. En 1648, Florin Périer, beau-frère de Pascal, en monta un au sommet du puy de Dôme, où la colonne était environ 8,5 cm plus basse qu’à Clermont. À Florence, les artisans du grand-duc Ferdinand II enfermèrent l’alcool dans un verre scellé et, en 1654, le grand-duc envoya des thermomètres identiques au premier réseau météorologique.

Daniel Gabriel Fahrenheit fabriqua des thermomètres à mercure à Amsterdam dès les années 1710 et publia sa méthode en 1724. Anders Celsius proposa son échelle en 1742, avec 0 à l’ébullition et 100 au gel ; elle fut retournée peu après sa mort, en 1744. En 1848, William Thomson, futur lord Kelvin, proposa une échelle absolue, dont le zéro est aujourd’hui fixé à −273,15 °C.

En 1868, Carl Wunderlich, à partir d’environ 25 000 malades, plaça la normale vers 37 °C et le début de la fièvre vers 38 °C. Robert FitzRoy lança les avis de tempête britanniques en 1861 et publia la première prévision publique dans le Times en août de la même année. Les capteurs numériques et les thermomètres à d’autres liquides ont depuis largement remplacé les thermomètres au mercure, aujourd’hui restreints dans de nombreux pays.