température (suite)
Les points de congélation des métaux très purs sont réalisés en introduisant le métal dans un creuset en graphite, placé lui-même à l’intérieur d’un four qui assure une température stable et uniforme tout le long du creuset (fig. 2). On utilise toujours le palier de congélation, plus reproductible que le palier de fusion ; dans le cas du zinc, par exemple, la reproductibilité est de 0,001 K. L’allure des paliers et l’écart entre paliers de congélation et de fusion est une information sur la pureté du métal.
Le point d’ébullition de l’eau, pour être reproductible à 0,000 5 K, est réalisé dans une chaudière fermée, sans communication avec l’atmosphère ; la chaudière est reliée à un manomètre de grande précision.
Les points triples et les points d’ébullition au-dessous de 0 °C sont réalisés dans des cryostats. La chambre de mesure placée au centre du cryostat reste en liaison par un tube capillaire avec une enceinte ou un manomètre maintenus à la température ambiante ; les échanges thermiques, essentiellement par rayonnement et par conduction, doivent être strictement contrôlés pour que les paliers de température soient discernables. Des points triples sous enveloppe métallique scellée, récemment essayée, présentent l’inconvénient d’une pression très élevée quand, au repos, ils sont conservés à la température ambiante.
Thermomètres
Ils sont très nombreux et peuvent être caractérisés par la propriété sur laquelle ils s’appuient (tableau III).
Le thermomètre à dilatation de liquide dans une enveloppe de verre ou de quartz est certainement l’instrument de mesure des températures le mieux connu ; on observe la dilatation apparente du liquide dans l’enveloppe. La sensibilité est fonction des dimensions relatives du réservoir et du tube capillaire et, dans les meilleures conditions (thermomètre à mercure à tige à double graduation), on peut apprécier quelques millièmes de kelvin. Le domaine de mesure dépend du liquide utilisé, de – 100 °C à + 100 °C pour l’alcool éthylique, de – 39 °C à + 600 °C pour le mercure par exemple. Le mercure présente bien des avantages sur les autres liquides ; en particulier, il peut être obtenu très pur et il ne mouille pas le verre. C’est pourquoi, dès la fin du siècle dernier, le thermomètre à mercure a été très étudié en vue d’en faire un instrument métrologique de précision. Les méthodes mises au point — et qui consistent à déterminer toutes les corrections qui, appliquées aux lectures, les amènent à ce qu’elles seraient si l’instrument était parfait — ont conduit à un emploi sûr et précis du thermomètre à mercure. De plus, l’ascension lente du zéro, due au vieillissement du verre utilisé et qui obligeait à une redétermination périodique du zéro, a disparu avec l’emploi du quartz.
Le thermomètre à résistance (fig. 3) repose sur la variation de la résistance électrique avec la température soit d’un fil métallique (platine, cuivre, nickel), soit d’un monocristal de germanium dopé à l’arsenic, au gallium ou à l’antimoine. Le thermomètre à résistance de platine, sous différentes formes de réalisation, peut être utilisé de 10 K à 1 300 K. Le fil de platine est généralement monté dans une tige mince en quartz, en acier inoxydable ou en platine sous une atmosphère sèche d’air ou d’hélium. L’instrument présente une bonne stabilité mécanique et électrique, une faible constante de temps (quelques secondes) et une grande sensibilité (variation relative de résistance de 4 × 10–3 par K au voisinage de 0 °C) ; la précision peut atteindre 10–4 K. Par contre, du fait des dimensions non négligeables de l’élément sensible, il ne convient pas pour les mesures ponctuelles de température ; il est mal adapté également aux mesures différentielles de température et, tout au moins lorsque la plus grande précision est requise, il faut tenir compte de l’échauffement parasite dû au passage du courant dans la résistance. Le thermomètre à résistance de germanium est un bon instrument de mesure aux basses températures, entre 1,5 K et 80 K ; sa résistance et sa sensibilité décroissent quand la température augmente.
Le thermocouple (fig. 4) utilise la différence de potentiel qui s’établit entre deux métaux en contact. Un circuit fermé, formé de deux fils métalliques de nature différente, engendre une force électromotrice quand l’une des soudures est portée à la température à mesurer (soudure chaude), tandis que l’autre soudure est maintenue à une température de référence (soudure froide) ; en pratique la soudure froide est double, de façon à pouvoir insérer l’appareil de mesure. Il existe une très grande variété de thermocouples, ce qui permet la mesure des températures de 1 K à 3 000 K (tableau IV). La très faible dimension des soudures autorise les mesures ponctuelles et, les constantes de temps étant corrélativement très courtes, il est possible de suivre des températures même rapidement variables. Les thermocouples se prêtent bien également aux mesures différentielles. Par contre, les défauts d’homogénéité dès fils limitent la précision, qui est rarement meilleure que 0,1 K.
Le pyromètre (fig. 5) s’appuie sur les lois du rayonnement, total ou spectral, des corps (lois de Stefan-Boltzmann et de Planck).
Le pyromètre à rayonnement total, pour lequel l’exitance énergétique du rayonnement varie comme la puissance quatrième de la température, est commode d’emploi, mais peu précis ; étant étalonné par rapport à un corps noir, il ne fournit pas directement la température vraie, mais une indication qui dépend de l’émissivité, généralement mal connue, du corps visé.
Le pyromètre monochromatique permet de comparer la densité spectrale de l’exitance énergétique du corps visé à celle qui est fournie par le filament d’une lampe tare ; la méthode de réglage consiste à réaliser la disparition du filament sur le fond continu fourni par l’image du corps visé, en agissant sur le courant électrique traversant la lampe tare. Le pyromètre monochromatique est aussi étalonné par rapport à un corps noir, et l’indication fournie est la température de luminance T (λ) liée à la température vraie T par la relation
dans laquelle λ est la longueur d’onde effective, ε (λ) l’émissivité spectrale du corps visé et c2 = 0,014 388 mètre-kelvin.
À côté des pyromètres visuels classiques, qui travaillent en général à λ = 0,65 μm, on réalise maintenant des pyromètres photoélectriques fonctionnant dans le proche infrarouge, dont la précision est très supérieure (0,01 K à 1 000 K et 0,1 K à 3 000 K).
Le thermomètre acoustique repose sur la loi de variation de la vitesse du son dans un gaz en fonction de la température. Pour un gaz comme l’hélium, à faible pression, la détermination de la température ne dépend que de la mesure expérimentale de la vitesse du son, les autres paramètres étant connus. Le thermomètre acoustique à hélium est employé de 2 à 20 K.