Etude et Réalisation d’un Thermomètre à diode

Autrefois, les humains se fiaient à leurs sens afin de déterminer la température d’un objet ou de l’air ambiant. Nos sens nous fournissent des indices qualificatifs de la température . Ils sont souvent trompeurs. Nous devons donc disposer de méthodes fiables pour établir une échelle de température. Depuis plusieurs années et même des décennies, de nombreuses questions restent inexpliquées quant à la façon de mesurer la chaleur. Plusieurs scientifiques, tels que Réaumur, Celsius, Fahrenheit et bien d’autres, se sont penchés sur ce sujet. Il existe aujourd’hui des techniques de toutes sortes, conçus dans l’intention de répondre aux besoins de chaque domaine.

Température : histoire et échelles de mesure 

Le premier thermomètre véritable a été inventé à Florence en 1654 par le grand duc de Toscane. L’appareil, à alcool, portait 50 graduations. En hiver, il descendait jusqu’à 7 degrés et montait, en été, jusqu’à 40 degrés, dans la glace fondante, il marquait 13,5°. Puis en 1702, l’astronome danois OLE Römer fabrique un thermomètre à alcool marquant l’eau bouillante à 60° et la glace pilée à 7,5°. En 1717, le savant allemand Fahrenheit remplace l’alcool par du mercure. Il fixa à 32° la température de la glace fondante et à 96° la température normale du sang. Il donne au thermomètre sa forme définitive. En 1730, Réaumur, physicien et naturaliste français, construisit le thermomètre à alcool pour lequel il utilisait l’échelle 0-80. Celsius, physicien suédois construisit en 1742 un thermomètre à mercure qui marquait 0°pour la glace fondante est 100°pour l’eau bouillante. En 1794, la Convention a décidé que le « degré thermométrique serait la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l’eau bouillante ». En octobre 1948, le nom de degré Celsius a été choisi par la IXème Conférence Internationale des Poids et Mesures. Choisir une échelle de 0 à 100, fut très difficile car le choix d’une telle échelle impliquait l’utilisation de nombres négatifs. Au XVIIème siècle on ne maîtrisait pas les nombres négatifs. Nous avons donc plusieurs échelles de mesure des températures : l’échelle Celsius nommée centigrade jusqu’en 1948 adoptée par la plupart des nations, l’échelle Fahrenheit adoptée par la Grande-Bretagne, et l’échelle Réaumur à peu près abandonnée. Nous avons également l’échelle absolue, utilisée par les scientifiques dont l’unité est le Kelvin ou K (lord Kelvin, 1824-1907) : glace fondante 273,15°C, ébullition 373,15°C. Un degré K correspond à un degré Celsius, mais le zéro absolu est -273° Celsius, limite approchée de très près aujourd’hui. La température est une grandeur intensive, qui peut être mesurée de deux façons différentes : L’échelle atomique, elle est liée à l’énergie cinétique moyenne des constituants de la matière. Au niveau macroscopique, certaines propriétés des corps dépendant de la température (volume massique, résistivité électrique,…) peuvent être choisies pour construire des échelles de température. La plus ancienne est l’échelle centésimale (1742), attribuant arbitrairement les valeurs 0 et 100°C degrés à la glace fondante et à l’eau bouillante, sous la pression atmosphérique normale. La température ainsi définie dépendant du phénomène choisi (la dilatation d’un fluide) pour constituer le thermomètre étalon, on utilise de préférence l’échelle Celsius, définie à partir de l’échelle Kelvin par:  T (°C)= T (K) – 273.15

Les Effets Thermoélectriques

Les phénomènes de transport de chaleur et d’électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d’effets thermoélectriques. Ces effets, que l’on distingue pour la commodité de l’étude, n’ont en fait pas d’existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément. L’effet Joule (effet irréversible) n’est pas considéré comme un effet thermoélectrique. Il est néanmoins présent dans tout conducteur résistif parcouru par un courant, indépendamment des effets thermoélectriques pouvant se manifester. Trois effets thermoélectriques ont été établis expérimentalement : l’effet Seebeck (1821), l’effet Peltier (1834) et l’effet Thomson (1847). Nous allons rappeler les définitions ainsi que les relations établies par Thomson entre ces différents effets.

Effet Seebeck
Considérons une chaîne de conducteursM1-M2-M1, constituée de deux matériaux différents. Soit un conducteur (par exempleM2) soumis à un gradient de température. Les électrons du côté chaud ont une vitesse instantanée statistiquement plus grande et un libre parcours moyen plus faible que du côté froid. Ces deux effets induisent une répartition spatiale non homogène stationnaire des électrons, et donc une différence de potentiel (ddp) aux bornes du matériau. La ddp peut aller dans le sens du gradient de température ou dans le sens inverse, car les deux effets sont antagonistes et leur prépondérance dépend du matériau étudié. Au premier ordre, on peut modéliser cet effet par une relation linéaire entre les différences de température et de potentiel aux bornes du matériau, avec un coefficient de proportionnalité a, dit ”coefficient de Seebeck” ou ”pouvoir thermoélectrique absolu du matériau”. En pratique, on peut mesurer cet effet que si on relie le matériau aux instruments de mesures électrique par des conducteurs de nature différente, M1 dans le cas de la figure (sinon la ddp à mesurer serait annulée par la ddp inverse due au gradient de température opposé ! !). On va donc en pratique manipuler des coefficients de Seebeck à une jonction entre deux matériaux, qui ne sont rien d’autre que les différences des coefficients Seebeck des deux matériaux en contact.

Effet Thomson
Un conducteur unique, soumis à un gradient de température et parcouru par un courant électrique, échange de la chaleur (absorption ou dégagement) avec le milieu extérieur.

Thermomètres à tension de vapeur 

a) Définition
On appelle tension de vapeur d’un liquide, la pression sous laquelle ce liquide est en équilibre thermodynamique avec sa phase vapeur. La tension de vapeur n’est fonction que de la température d’un liquide donnée. T une température correspond pour le liquide choisie une pression de vapeur fixe.

b) Principe
La mesure de la tension de vapeur d’un liquide permet donc de connaître sa température. La mesure thermométrique se fait par l’intermédiaire d’une mesure de pression. Les thermomètres à tension de vapeur sont très sensibles. Mais la graduation n’est pas linéaire, comme le montre la courbe de tension de vapeur ci dessus. La réalisation la plus simple est le thermomètre à simple remplissage.

L’élément sensible est une sonde analogue à celle du thermomètre à gaz, mais le tube de raccordement plonge dans la sonde. Celle-ci et le tube de raccordement sont garnis de liquide vaporisable. Lorsque la sonde est placée dans une enceinte chaude, une partie du liquide se vaporise. Un équilibre liquide/vapeur s’établit, fonction de la température. En même temps, la pression a augmenté pour se fixer à la valeur de la tension de vapeur du liquide. Cette pression est transmise par le liquide au manomètre de mesure qui agit sur l’élément indicateur.