température (suite)

Applications

Elles sont nombreuses et importantes ; citons : métallurgie et affinage, soudage et coupage des métaux, fabrication et usinage des matériaux réfractaires, synthèses chimiques de composés endothermiques, etc. ; très importants aussi sont les efforts entrepris pour élever la température des plasmas, car il s’agit là de l’une des conditions nécessaires à l’amorçage des réactions de fusion nucléaire.

R. D.

Mesure des températures, thermométrie

Température thermodynamique et thermomètre à gaz

Depuis toujours, l’homme a le sens du « chaud » et du « froid », qu’il exprime par la notion de température ; mais, jusqu’à une époque très récente, sa façon d’évaluer les températures dans des échelles arbitraires (centigrade ou centésimale, Réaumur, Fahrenheit, etc.) en faisant appel à des phénomènes matériels (dilatation des corps par exemple) conférait un caractère particulier à la température, que l’on qualifiait de repérable.

Les progrès de disciplines telles que la thermodynamique et la mécanique statistique permettent maintenant une définition indépendante des propriétés de la matière, et la température, dite « thermodynamique », est aujourd’hui une grandeur physique mesurable comme la longueur, la masse ou le temps ; son unité est le kelvin (symbole K) [v. thermodynamique].

On peut montrer que la température thermodynamique d’une masse donnée de gaz parfait varie comme le produit pv de la pression p par le volume v du gaz, et le thermomètre à gaz est ainsi un instrument particulièrement bien adapté à la mesure de la température thermodynamique dans un vaste domaine allant des très basses températures jusqu’à plus de 1 000 K. En fait, aucun gaz réel n’est parfait, même aux faibles pressions, mais on sait calculer les corrections nécessaires. Le thermomètre à gaz est réalisable sous plusieurs formes :
a) à volume constant, et c’est un rapport de pressions que l’on détermine ; c’est le type le plus connu et le plus utilisé, tout au moins à la fin du siècle dernier ;
b) à pression constante, avec mesure d’un rapport de volumes.

À température très basse, au-dessous de 1 K, le thermomètre à gaz n’est plus utilisable, et la meilleure méthode de mesure en s’appuyant sur la définition même de la température thermodynamique consiste à réaliser un cycle de transformation, à mesurer les quantités de chaleur Q₁ et Q₂ et à déduire la température la plus basse T₂ de la température supérieure T₁.

À haute température, on utilise la loi du rayonnement de Planck :

dans laquelle M_λ est la densité spectrale de l’exitance (précédemment émittance) énergétique d’un corps noir à la longueur d’onde λ et à la température T, et c₁ et c₂ les deux constantes du rayonnement ; à température encore plus élevée, pour les plasmas, on utilise la méthode spectroscopique.

Échelle internationale pratique de température de 1968 (E.I.P.T.-68)

L’emploi du thermomètre à gaz est long et délicat et, même en thermométrie de précision, on a besoin d’un système de mesure plus commode. C’est ce qui a conduit la Conférence générale des poids et mesures, chargée de ces problèmes sur le plan international, à adopter en 1968 une échelle de température, dite « Échelle internationale pratique de température de 1968 », qui soit reproductible avec facilité et avec précision. La température mesurée dans cette échelle est en accord aussi étroit que possible avec la température thermodynamique, les différences demeurant dans les limites de l’exactitude actuelle des mesures. On distingue la température Kelvin internationale pratique, symbole T₆₈, et la température Celsius internationale pratique, symbole t₆₈, liées par la relation t₆₈ = T₆₈ – 273,15 K. Les unités de T₆₈ et t₆₈ sont le kelvin et le degré Celsius, comme dans le cas de la température thermodynamique T et de la température Celsius t (tableau I).

Il n’est pas possible de reproduire ici le texte complet de l’E.I.P.T.-68, mais on va toutefois en indiquer les grandes lignes. L’E.I.P.T.-68, qui n’est pas définie au-dessous de 13,81 K, est fondée sur les valeurs des températures assignées à un certain nombre de points fixes de définition et sur des instruments spécifiés étalonnés à ces températures. L’interpolation entre les températures des points fixes est réalisée au moyen de formules établissant la relation entre les indications de ces instruments et les valeurs de la température internationale pratique.

Les points fixes de définition (tableau II) sont établis en réalisant des états d’équilibre spécifiés entre phases de substances pures.

Entre 13,81 K et 630,74 °C, c’est le thermomètre à résistance de platine qui est employé comme instrument étalon. Au-dessous de 0 °C, la relation résistance-température du thermomètre est obtenue à l’aide d’une fonction de référence et de fonctions écarts spécifiées. Entre 0 °C et 630,74 °C, deux polynômes fournissent la relation résistance-température.

Entre 630,74 °C et 1 064,43 °C, l’instrument étalon est le thermocouple platine rhodié (10 p. 100 de rhodium)/platine, dont la relation force électromotrice - température est représentée par une équation du second degré.

Au-dessus de 1 337,58 K (1 064,43 °C), on définit la « Température internationale pratique de 1968 » au moyen de la loi du rayonnement de Planck avec 1 337,58 K comme température de référence et 0,014 388 mètre-kelvin comme valeur de c₂.

Points fixes thermométriques

Ce sont généralement soit des points triples (équilibre entre les phases solide, liquide et vapeur dans des conditions spécifiques de température et de pression), soit des points de congélation (équilibre entre les phases solide et liquide à la pression atmosphérique normale), soit des points d’ébullition (équilibre entre les phases liquide et vapeur à la pression atmosphérique normale).

Le point triple de l’eau est réalisé dans une ampoule de Pyrex scellée (fig. 1) contenant de l’eau de très grande pureté, exempte de gaz dissous ; la température du point triple, + 0,01 °C, est obtenue partout où la glace est en équilibre avec une surface liquide-vapeur ; sa reproductibilité est de 0,000 1 K.