Que mesure un thermomètre ?

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Réponse facile : la température.
OK, mais encore : c’est quoi la « température », concrètement ?
Si je chauffe un objet et que j’augmente sa température, en quoi cet objet est-il différent ? Qu’a-t-il « gagné » qui fait qu’il est maintenant « chaud » ?
Questions saugrenues auxquelles vous n’aviez jamais pensé, n’est-ce pas ?
Dans cet article je vais donc vous donner la réponse à des questions… que vous ne vous posiez pas ! Ce blog est décidément indispensable… ;-)

Bon.
A votre avis, quelle est la différence physique entre un verre d’eau froide et un verre d’eau chaude ?

Vous aller me dire : l’un contient plus de chaleur que l’autre. D’accord, mais la question n’est que déplacée : c’est quoi la chaleur, concrètement ?
On imagine instinctivement que la chaleur est une sorte de « fluide » présent dans la matière, qui peut se propager d’un objet à un autre, ou aussi à un liquide ou à un gaz. Mais en fait non, un tel fluide n’existe pas : si on analyse ce que contiennent les deux verres, le chaud et le froid, par toutes les méthodes possibles, on ne trouve pas de différence. Aucune trace d’un quelconque « fluide » qui serait plus présent dans le verre chaud que dans le verre froid. Les deux verres ne contiennent que… de l’eau. Mais alors c’est quoi la chaleur ??

Si vous avez lu mes articles précédent, vous savez que toute matière, qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse est constituée d’atomes :

Les atomes ne sont pas fixes, ils peuvent bouger :
– dans un gaz, les atomes sont loin les uns des autres, ils vibrent et se déplacent en permanence et dans tous les sens (et lorsqu’ils sont enfermés dans un récipient, ils se tapent sur les paroi : c’est cela qui crée la pression d’un gaz)
– dans un liquide, les atomes sont plus rapprochés les uns des autres mais ils peuvent toujours vibrer et glisser les uns sur les autres (les liquides peuvent « couler »)
– dans un solide, les atomes sont fixés les uns aux autres et ne peuvent se déplacer. Par contre ils peuvent toujours vibrer sur place.

La clé de l’énigme est ici, dans les vibrations et les mouvements des atomes au sein de la matière (solide, liquide ou gazeuse) : plus les atomes bougent et/ou vibrent, plus la matière est chaude. Et a contrario, moins les atomes bougent et/ou vibrent, plus la matière est froide.

La chaleur, c’est en fait l’agitation des atomes(*) de la matière. Et c’est cela que mesure un thermomètre :
– plus d’agitation des atomes => plus chaud,
– moins d’agitation des atomes => plus froid.

Ainsi, dans un verre d’eau chaude, les molécules d’eau simplement sont plus « agitées » que dans un verre d’eau froide. Il n’y a pas d’autre différence !

Le saviez-vous ?
L’agitation des molécules plus importante dans l’eau chaude a pour conséquence que celle-ci est moins visqueuse que l’eau froide.
Si, si !
Visuellement on ne voit pas la différence, d’accord. Mais il y un moyen simple de s’en rendre compte : à cause de la viscosité différente, l’eau chaude qui coule ne fait pas le même bruit que l’eau froide ! Et ce n’est pas une blague : si vous ne me croyez pas, aller voir cette vidéo…

Comment fonctionne un thermomètre ?

Concrètement, comment fonctionne un thermomètre classique, à alcool, comme nous avons tous à la maison où dans notre frigo ?

Les thermomètres de ce type sont constitué d’une tube en verre, muni d’un petit réservoir à l’extrémité inférieure, contenant de l’alcool à l’intérieur(**), coloré en rouge ou bleu pour être bien visible.
Lorsque la température augmente, alors les molécules d’alcool s’agitent de manière plus importante ce qui a pour effet de dilater l’alcool car en s’agitant les molécules ont besoin de plus de place : celui-ci monte alors dans le tube. Et vice-versa quand la température diminue. Simple, non ?
Ajoutons des graduations sur le côté du tube :
– le 0 degrés Celsius en face du niveau d’alcool obtenu quand l’eau gèle,
– le 100 degrés Celsius en face du niveau d’alcool obtenu à la température de l’eau qui bout,
et voilà : on peut mesurer la température !

Températures minimales et maximale

Allons plus loin :
si la température est l’expression de l’agitation des atomes et molécules, on imagine qu’à force de baisser la température d’un objet, on finit par arriver à un minimum quand les atomes et molécules ne bougent plus, non ?
Et bien oui, en effet, il existe une température minimale en dessous de laquelle il est impossible de descendre. On appelle cette température limite le « zéro absolu » et elle vaut -273,15 °C.
On peut s’en approcher très près en laboratoire, à l’aide d’installations sophistiquées, mais jamais l’atteindre exactement(***)

Par contre il n’existe pas de température maximale : plus les atomes et molécules s’agitent et plus la température monte, monte et peut atteindre des milliers, millions voire centaines de millions de degrés. Il n’y a pas de limite supérieure théorique.

Attention, piège !

Poursuivons encore avec une petite subtilité qui a un impact concret sur notre quotidien : le principe du fonctionnement d’un thermomètre implique que celui-ci mesure en fait… sa propre température. En effet c’est la température de l’alcool lui-même qui détermine de combien il va se dilater dans le tube. Or, ce n’est pas tout à fait ce que nous attendons d’un thermomètre : ce qu’il nous intéresse en général de mesurer c’est la température du milieu dans lequel le thermomètre est plongé, par exemple celle de l’eau d’un bain avant de s’y immerger, d’un corps humain pour savoir s’il a de la fièvre ou de l’air extérieur pour savoir si on peut aller manger dehors.

Dans le cas général, si on est un peu patient (quelques minutes), un thermomètre finit toujours par atteindre la température du milieu dans lequel il est plongé. Mais dans le cas de la mesure de la température de l’air extérieur, il y a un piège possible car la température du thermomètre peut dans certaines circonstances être notablement différente de la température de l’air !
C’est ce qui se passe si le thermomètre est exposé au soleil : dans ce cas les rayons du soleil traversent l’air, frappent le thermomètre et le réchauffent lui, mais pas l’air environnant… La température mesurée par le thermomètre sera donc bien plus élevée que la température réelle de l’air.
Il ne faut donc jamais mettre un thermomètre au soleil, sinon vous perdez tout espoir de mesurer la vraie température de l’air. C’est la raison pour laquelle dans toutes les stations météo dignes de ce nom, les thermomètres sont enfermés à l’ombre dans un abri, bien aéré et de couleur blanche pour refléter les rayons du soleil et ne pas lui-même s’échauffer.

Voilà : vous ne vous l’étiez jamais demandé, mais maintenant vous savez ce qu’est réellement la température.
NB La prochaine fois que vous vous verserez de l’eau chaude pour préparer votre thé, écoutez bien le son qu’elle fait ;-)
C’est tout pour aujourd’hui !

(*) Dans la matière, les atomes peuvent être rassemblés en molécules, comme par exemple H2O, molécule d’eau constituée d’un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. Les molécules vibrent et/ou bougent aussi, comme les atomes, plus ou moins en fonction de leur température.
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(**) ou du mercure (rare, de nos jours : compte tenu de sa toxicité, on évite désormais d’utiliser du mercure).
NB : Il existe aussi des thermomètres basés sur d’autres principes physiques que la dilation d’un liquide, mais c’est une autre histoire.
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(***) La raison pour laquelle le zéro absolu ne peut jamais être réellement atteint est qu’il est physiquement impossible de complètement immobiliser un atome ou une molécule : une telle chose est interdite par la physique quantique (ouiiii j’ai réussi a placer l’expression « physique quantique » dans mon blog !).
En effet, en physique quantique, la position et la vitesse d’un atome ne sont pas des grandeurs qui peuvent être définies avec une précision aussi grande que l’on veut. Il existe un seuil de précision au delà duquel on en peut pas aller : si on essaie, la matière devient « floue ». Et dans cette situation, on en peut plus connaître exactement la vitesse de l’atome donc il est impossible d’affirmer que celle-ci est nulle, ce qui serait le cas si un atome était rigoureusement immobile.
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