Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à utiliser correctement différents thermomètres afin de mesurer la température des liquides et des gaz.
La température est une mesure de la chaleur contenue dans un matériau. On peut mesurer la température d’un matériau en utilisant un instrument appelé thermomètre. Il existe deux types de thermomètres : les thermomètres analogiques et les thermomètres numériques.
Le schéma ci-dessous illustre un thermomètre analogique.
Les thermomètres analogiques sont généralement fabriqués en verre et contiennent à l’intérieur un liquide de couleur rouge. Le liquide monte ou descend à mesure que la température de l’environnement augmente ou diminue. Une échelle de température, généralement exprimée soit en degrés Celsius soit en degrés Fahrenheit ou bien les deux à la fois, est indiquée sur le thermomètre.
En regardant de plus près le thermomètre, on observe des graduations correspondant à des valeurs de température particulières. La graduation la plus proche du sommet du liquide rouge est la température que l’on relève.
Pour mesurer la température d’un fluide avec précision à l’aide d’un thermomètre analogique, il y a plusieurs points importants à noter.
- Il faut immerger le fond du thermomètre, appelé l’ampoule, dans le liquide que l’on souhaite mesurer. Puis s’assurer que l’ampoule ne touche aucun autre matériau (ou n’est proche d’aucun autre matériau) tel que les parois ou le fond du récipient contenant le fluide ; si c’est le cas, le thermomètre mesurera la température combinée de plusieurs objets à la fois, plutôt que la température seule du matériau souhaité.
- Tout en maintenant le thermomètre immobile, donner au liquide rouge le temps de monter, de descendre ou de rester au même niveau. Un thermomètre analogique met un certain temps à s’adapter à son environnement. Avant de relever la température mesurée, il faut s’assurer que la hauteur du liquide rouge est stabilisée, c’est-à-dire qu’elle ne change plus du tout.
- En maintenant le thermomètre droit, aligner son regard au niveau du sommet du liquide rouge. Il faut éviter de regarder le sommet du liquide par-dessus, ou par-dessous, car cela peut donner une perception faussée du niveau et conduire à relever une température incorrecte.
- En regardant ce liquide rouge de plus près, on peut remarquer que sa surface a une forme incurvée. Cela s’appelle un ménisque. Généralement, un ménisque peut être incurvé vers le haut ou vers le bas. Les ménisques incurvés vers le haut sont appelés convexes, et ceux qui sont incurvés vers le bas sont dits concaves. Dans les deux cas, pour effectuer une mesure, on cherchera le centre du ménisque que l’on utilisera comme niveau de liquide correspondant à la lecture des graduations de température sur le thermomètre.
- La graduation de température la plus proche du niveau du centre du ménisque est la température que l’on retiendra.
Un thermomètre numérique fonctionne à peu près de la même manière qu’un thermomètre analogique. Il est également composé d’une ampoule thermosensible qui doit être immergée dans le liquide ou le gaz où la mesure est effectuée. De même, ce type de thermomètre a besoin d’un certain temps pour atteindre une température stable.
Contrairement à un thermomètre analogique, un thermomètre numérique affiche directement la température mesurée. Par conséquent, les erreurs dans l’interprétation de la température mesurée sont moins probables en utilisant un thermomètre numérique.
Voyons à présent quelques exemples de mesures de température, afin d’expliquer pourquoi ces lectures sont parfois incorrectes.
Exemple 1: Lecture d’un thermomètre indiquant la température en degrés Celsius
La figure ci-dessous illustre un thermomètre utilisé pour mesurer la température de l’air extérieur. Quelle est la valeur de la température indiquée par le thermomètre ?
Réponse
On souhaite lire la température mesurée par ce thermomètre analogique. Cette température correspond au repère qui s’aligne le plus précisément avec le sommet du liquide rouge dans le thermomètre.
En regardant de plus près, on voit que la partie supérieure du liquide rouge est incurvée, indiquant un ménisque. Le centre du ménisque, où il est plat, s’aligne avec la graduation juste en dessous de . Chaque graduation représente un incrément de , donc ce thermomètre indique une température de .
Exemple 2: Lecture de la température sur un thermomètre au degré près
La figure ci-dessous illustre un thermomètre installé à l’ombre lors d’une journée chaude. Quelle est la température indiquée par le thermomètre au degré près ?
Réponse
Ce thermomètre indique les températures sur une échelle en Celsius. Le niveau du liquide rouge à l’intérieur du thermomètre indique la température à retenir. On voit que le niveau du liquide est compris entre deux valeurs de température : et .
Le niveau est toutefois plus proche de la graduation . Ainsi, au degré près, la lecture de la température sur ce thermomètre est de .
Exemple 3: Lecture d’une température dépassant l’échelle d’un thermomètre
Un thermomètre est placé dans une casserole contenant un mélange de jus de fruits et de sucre qui est chauffé pour faire de la confiture. Le mélange est chauffé à plus de . Le thermomètre est illustré sur la figure suivante. Quelle est la température indiquée par le thermomètre ?
- Il n’est pas possible d’obtenir une lecture précise avec ce thermomètre.
Réponse
Pour lire la température sur un thermomètre, il faut déterminer avec quelle graduation la jauge de liquide rouge s’aligne le mieux. Le haut de cette jauge correspond au niveau du liquide dans le thermomètre.
En regardant de plus près ce niveau, on constate qu’il se situe au-dessus de la graduation la plus haute du thermomètre. La graduation la plus proche correspond à une température de , mais cela n’est pas notre réponse, car la jauge dépasse de la plage de températures pour laquelle ce thermomètre est étalonné. Au lieu d’essayer d’estimer la température en extrapolant les graduations au-delà du sommet de l’échelle, il est préférable de signaler qu’il n’est pas possible de lire cette température avec précision sur ce thermomètre.
Cela correspond à la réponse D.
Exemple 4: Expliquer pourquoi une lecture de température est incorrecte
Clarisse cherche à mesurer la température de l’eau qui a été chauffée à une température proche de son point d’ébullition. Elle utilise un thermomètre qui se trouvait sur une table dans la même pièce pendant une heure. Elle place l’ampoule du thermomètre dans l’eau et lit immédiatement la température indiquée, comme illustré sur le schéma. Elle note ainsi que la température de l’eau est de . Laquelle des affirmations suivantes explique pourquoi cette réponse est incorrecte ?
- Elle n’a pas attendu que le liquide rouge se stabilise. La température de l’eau est en réalité largement supérieure à .
- Elle devrait tenir l’ampoule du thermomètre juste au-dessus de la surface de l’eau. C’est là que la température est la plus élevée.
- Elle devrait plonger le thermomètre entier dans l’eau.
Réponse
On nous dit que cette eau a été chauffée près de son point d’ébullition, c’est-à-dire , donc on peut immédiatement déduire qu’une mesure de est trop basse.
correspond approximativement à la température de la pièce, et on nous dit que le thermomètre se trouvait sur une table dans cette même pièce pendant une heure. Puisque Clarisse lit la température mesurée immédiatement après avoir mis l’ampoule dans l’eau chaude, on peut alors se faire une idée de comment elle a obtenu son résultat.
Lorsqu’il était sur la table, le thermomètre s’est stabilisé à la température de l’air ambient, soit . Quand Clarisse a mis ce thermomètre dans l’eau chaude, elle n’a pas laissé suffisamment de temps au thermomètre pour s’adapter. La lecture qu’elle pensait être la température de l’eau indiquait en fait toujours la température de la pièce.
D’après ce raisonnement, on peut déduire que la réponse A est la meilleur réponse.
La réponse B dit que Clarisse aurait dû tenir l’ampoule du thermomètre au-dessus de la surface de l’eau. Cependant, elle souhaite mesurer la température de l’eau, ce qui nécessite d’immerger l’ampoule dans l’eau.
La réponse C affirme que la méthode de mesure correcte consiste à immerger le thermomètre entier dans l’eau, mais cela n’est pas nécessaire pour mesurer une température avec précision avec ce type de thermomètre. Seule l’ampoule doit être immergée dans le matériau dont on veut mesurer la température ; immerger le thermomètre entier serait peu pratique et donnerait une lecture imprécise.
La réponse A décrit le mieux en quoi cette mesure est incorrecte.
Exemple 5: Expliquer une mesure incorrecte de la température
Adélaïde chauffe de l’eau dans un récipient en cuivre à l’aide d’un bec Bunsen, comme indiqué sur la figure. Elle souhaite mesurer la température de l’eau. Elle installe un thermomètre dans le récipient de sorte qu’il soit en contact avec la paroi du récipient. Cela conduit à une lecture de température sur le thermomètre plus élevée que la température réelle de l’eau. Laquelle des affirmations suivantes explique correctement ce phénomène ?
- L’eau au niveau des parois du récipient est plus chaude que l’eau au centre de celui-ci, car elle est directement en contact avec le récipient chaud. La température moyenne de l’eau est plus basse.
- Le cuivre conduit très bien la chaleur, et la chaleur du bec Bunsen est transférée à travers le cuivre du récipient. Étant donné que le thermomètre est en contact avec le cuivre du récipient, il mesure partiellement la température du récipient plutôt que celle de l’eau.
- Les courants de convection dans l’eau remontent par les parois du récipient ; ainsi, l’eau au niveau des parois du récipient est plus chaude que l’eau au centre de celui-ci. La température moyenne de l’eau est plus basse.
Réponse
Un point clé de l’énoncé est que le récipient contenant l’eau est en cuivre. Comme tous les métaux, le cuivre est un excellent conducteur de chaleur. On peut s’attendre à ce qu’il chauffe plus rapidement que l’eau.
À un moment donné, la température du récipient est alors probablement supérieure à la température de l’eau. Lorsque Adélaïde met le thermomètre dans l’eau en contact avec le récipient, elle expose le thermomètre à cette température plus élevée.
La mesure donnée par le thermomètre sera une combinaison de la température de l’eau et de la température du récipient. Étant donné que la température du récipient est plus élevée, la lecture ne reflètera pas avec précision la température de l’eau.
La réponse qui décrit le mieux ce phénomène est la réponse B. On notera que la réponse A suppose que l’eau dans le récipient est relativement immobile, alors qu’en réalité, de l’eau chauffée de cette manière se déplacerait et se mélangerait à travers le récipient.
Points Clés
- Les thermomètres analogiques et numériques sont utilisés pour mesurer les températures des liquides et des gaz.
- Pour effectuer une mesure correcte à l’aide d’un thermomètre analogique, il faut :
- immerger l’ampoule du thermomètre dans le liquide à mesurer ;
- attendre que le thermomètre se stabilise ;
- tenir le thermomètre droit et positionner notre œil de sorte qu’il soit au même niveau que le sommet du liquide rouge ;
- si un ménisque est présent, effectuer la mesure correspondant au niveau de son centre, c’est-à-dire la partie plate de la courbure ;
- lire la température indiquée sur la graduation la plus proche de ce niveau.
- Pour un thermomètre numérique, suivre les deux premières étapes, puis lire directement la température affichée.
