La thermométrie est le domaine de la physique qui concerne la mesure de la température.
Parmi les grandeurs physiques, la température est l'une des plus délicates à mesurer de façon rigoureuse pour deux raisons. D'une part, il faut bien définir le système dont on mesure la température. Par exemple, laisser quelques instants une cuillère dans un plat très chaud, avec le manche qui dépasse ; le manche peut être saisi à la main tandis que la partie bombée sera brûlante. D'autre part, la définition même du concept de température et de son échelle de mesure nécessitent de connaître des concepts thermodynamiques qui sont loin d'être intuitifs.
Historique Comme la température représente un des concepts fondamentaux de la thermodynamique, l'histoire de la thermométrie lui a été rattachée de manière anachroniqueArthur Birembaut, article "Thermodynamique (Histoire)"Encyclopædia Universalis, 2001. Après un tour d'horizon antique, l'auteur développe l'évolution de la thermométrie puis de la calorimétrie, avant d'aborder les diverses conceptions et théories de la chaleur..
La première thermométrie, soit une estimation ou "mesure de chaleur" essentiellement empirique, est d'abord le fruit des observations de métallurgie ou, de manière générale, de vieilles techniques chimiques. Il faut préciser que le mot "thermométrie", au sens de "mesure de température", n'est attesté en français qu'en 1842Définition TLFi du terme "thermométrie".. Or ce terme est contemporain du discrédit du "calorique", une notion imposée d'office par Lavoisier en 1787 et associée à une conception fluide, impondérable de la chaleur, dont l'inexactitude apparaît flagrante après les expériences calorimétriques du brasseur Joule, élève de DaltonHenri Tachoire, "Naissance et premiers développements de la calorimétrie chimique", L'Actualité Chimique N°26, novembre 1975, p. 26-32. Le milieu du marque l'essor triomphal de la théorie thermodynamique. Notons que le comte Rumford s'était opposé avec perspicacité à ce principe vague du "calorique" en réalisant des expériences probantes avant 1800. Les corps chimiques posséderaient une teneur inégale (?) en calorique, d'où leur état solide, liquide, gaz ! La combustion (incluant la respiration, la digestion, les combustions lentes etc.) libère du calorique, impondérable, ce qui expliquerait la chaleur et la lumière qui accompagnent cette libération. Est-ce un reliquat impensé de la théorie du phlogistique ?. La nature de la chaleur, et en particulier les phénomènes de combustion, ont préoccupé les chimistes au cours du , ce qui a permis l'essor lent mais indéniable au cours de ce siècle de l'instrumentation en calorimétrieLes grands chimistes ou physiciens, à savoir Boerhaave, Fahrenheit, Black, Watt, Crawford, Cavendisch, Lavoisier, Dalton se sont intéressés à la mesure des quantités de chaleur. L'écossais Joseph Black a la paternité des concepts de capacité calorifique et de chaleur latente. Henri Tachoire, ibidem, p. 26-27.. Comprendre de manière globale la réaction chimique nécessite, selon les chimistes Guyton-Morveau, Lavoisier, Berthollet, Fourcroy, d'inclure la lumière et la chaleur qui lui sont associées, d'où cette hâte lavoisienne à définir le calorique pour ridiculiser définitivement le phlogistique de Georg Stahl.
La découverte du principe du thermomètre, à simple variation de niveau causée par la dilatation ou la contraction d'une substance particulière, est due en laboratoire au physicien Galilée avant 1592. Il s'agit dans ce cas précis d'un "thermomètre à air", marqué par un niveau d'eau qui piège cet air confiné. Le premier "thermomètre" pour estimer le chaud et le froid chez les patients, est le thermoscope du médecin istrien, ami de Galilée, Santorio Santorio, mis au point en 1612 à partir d'une amélioration du thermoscope d'Héron. Signalons toutefois que le mot savant "thermomètre", désignant directement en langue française cet instrument servant à indiquer un degré de température ou de chaleur, est plus tardif : c'est un néologisme savant du professeur jésuite de l'Université de Pont-à-Mousson, Jean Leurechon dit encore "Levréchon", apparaissant dans son ouvrage intitulé "Récréation mathématique" paru en 1624Entrée "thermomètre" dans le TLFi. La généralisation du thermomètre au cours du provoque l'évolution sémantique du mot "température", qui délaisse l'acception médicale de "tempérament" pour remplacer petit à petit l'expression "degré de chaleur"Arthur Birembaut, ibidem, en particulier Evolution de la thermométrie. S'ensuit une course aux meilleures systèmes de graduation au qui se termine par l'échelle centigrade du suédois Anders Celsius. Les règles de base du thermomètre à alcool ou à "esprit de vin" comme on disait alors, sont édictées par Réaumur en 1730. Le thermomètre Réaumur connaîtra un grand succès en France.
D'un point de vue concret, Daniel Gabriel Fahrenheit (mort en 1736), puis Anders Celsius en 1742, imposèrent leur système à deux repères facilement identifiables. Pour Celsius, le point zéro était l'ébullition de l'eau ; le point haut était la glace fondante et était fixé à 100 degrés.. Ces deux nombres furent rapidement intervertis : l'échelle actuellement utilisée a été proposée par Jean-Pierre Christin dès 1743Mémoire sur la dilatation du Mercure dans le Thermométre, Mercure de France, Paris: Chaubert; Jean de Nully; Pissot; Duchesne, juillet 1743, .. Pour Fahrenheit, le point zéro de l'échelle était la température de solidification d'un mélange d'eau et de sel en proportions massiques égales ; le point haut de l'échelle, fixé initialement à 12, était la température du sang ; par la suite, il subdivisa ses degrés en huit, le point haut devint donc 8×12 = 96. Cependant, ces points se révélèrent inadéquats. Concernant l'échelle Fahrenheit, l'homéothermie n'assure pas une température interne strictement constante, il est donc illusoire de s'en servir comme référence.
On découvrit bientôt que la température d'ébullition de l'eau dépendait de la pression ; or, au cours de l'ébullition, la pression augmente dans une enceinte confinée.
On commença à travailler sur l'échelle normale à hydrogène en 1878. Ce dispositif permettait d'avoir une grande reproductibilité. Le dispositif fut adopté en 1887 par le Comité international des poids et mesures (CIPM), puis ratifié en 1889 par la première Conférence générale des poids et mesures (CGPM). Le thermomètre à résistance de platine fut développé en 1888 ; présentant un volume constant (sa dilatation est négligeable), il permettait des mesures plus fiables à haute température (jusqu'à ). Le point haut choisi fut alors le point de fusion du soufre, estimé entre 444,53 et .
En 1911, la Physikalisch-Technische Bundesanstalt, institut allemand chargé de la métrologie, proposa de prendre la température thermodynamique comme échelle. Après un long travail de collaborations internationales, la résolution fut adoptée par la en 1927, qui fonda l'échelle internationale de température (EIT). Les degrés étaient appelés « degrés centigrades ». Les méthodes de mesure variaient selon la gamme de température : thermomètre à résistance de platine de à ; thermocouple type S : platine/platine rhodié à 10 % de 650 à ; pyromètre optique, pyromètre infrarouge au-delà. Les points de référence étaient toujours des points de changement d'état : fusion du mercure (), du zinc (), ébullition du soufre (), fusion de l'antimoine (), de l'argent () et de l'or ().
En 1937, le CIPM créa un Comité consultatif de thermométrie et calorimétrie qui devint ensuite le Comité consultatif de thermométrie (CCT). En 1948, le nom de l'unité devint « degré Celsius » et la CGPM modifia légèrement l'échelle.
En 1958, le CIPM valida une échelle pour les très basses températures, entre (-271 et ) ; elle reposait sur la tension de vapeur de l'hélium 4He de et sur des calculs thermodynamiques en dessous. En 1962, on utilisa l'isotope 3He à la place.
Mais il restait encore le problème de la dépendance en pression des températures de changement d'état. Il fallait donc choisir comme référence un système indépendant de la pression. En 1954, le choix se porta sur un point où glace, eau liquide et vapeur coexistent : le point triple (toutefois, la référence point triple ne fut réellement adoptée qu'au ).
Mais, l'échelle Celsius étant très largement répandue, il fallait absolument que cela ne modifie en rien les valeurs mesurées : il était impensable de faire changer tous les thermomètres. Comme on connaît bien la variation de la courbe de liquéfaction de la glace (), cela donne un point triple à du . Comme le coefficient de dilatation est proche de (qui vaut 1/273,15), la température du point triple fut fixée à la valeur 273,16 pour cette nouvelle échelle, l'échelle Kelvin. Ainsi, par une simple soustraction, on retrouve une température d'ébullition de l'eau à , mais il ne s'agit désormais plus d'une définition.
Avec l'augmentation de précision des mesures, il s'avéra que les mesures donnaient : sous la pression d'une atmosphère (), l'eau bout à . Ainsi, à une erreur de mesure imperceptible avec des thermomètres courants (les plus précis étant gradués au 1/ de degré), on peut toujours énoncer que l'eau bout à . Mais ce de différence peut avoir une importance lorsque des mesures très précises sont requises.
Cette difficulté illustre l'importance de l'habitude et de la représentation humaine dans les sciences : si l'on considère les lois les plus courantes utilisant la température (lois dites « d'Arrhenius » et statistique de Boltzmann), il aurait été plus « économique » d'utiliser la grandeur 1/kT, T étant la température absolue et k la constante de Boltzmann. Toutefois, d'une part l'échelle n'est pas « à taille humaine » (l'esprit manipule mieux les ordres de grandeur autour de 10), d'autre part, elle n'est pas intuitive (la valeur augmente lorsqu'il fait plus froid), et enfin un changement radical entraîne un coût important et des sources d'erreur nombreuses.
On remarque que l'échelle de température en vigueur actuellement a été définie en 1990. L'échelle internationale de température de 1990 apporte des changements importants tels que la suppression du thermocouple à platine-rhodié 10 %, le thermomètre à résistance de platine ayant été adopté pour la gamme des moyennes températures, couvrant ainsi le point fixe de l'argent (environ ). Mais, encore, prenant en compte le point triple de l'eau () comme point de référence de l'échelle. Cependant, cette échelle reste ouverte et des solutions sont envisagées pour étendre la gamme des points fixes pour le moment réservé aux transitions de phase de corps idéalement purs (gallium, indium, étain, zinc, aluminium, argent, cuivre, or) notamment les matériaux eutectiques susceptibles de devenir des points fixes pour la thermométrie de contact à des températures supérieures à , dans l'objectif de repousser encore un peu plus la jonction avec les techniques de pyrométrie qui extrapolent la loi de Planck et sont donc sources d'incertitudes.
Les thermomètres
Historiquement, comme pour la plupart des grandeurs, la température a été mesurée par une conséquence visible : la dilatation.
La découverte de l'effet Seebeck en 1821 (qui donnera naissance au thermocouple) et l'invention du thermomètre à résistance de platine par Callendar en 1888 ont permis de transformer la température en une valeur électrique, donc affichable sur un cadran d'abord analogique puis numérique (d'un voltmètre).
Les travaux sur le corps noir ont donné naissance à une troisième gamme d'appareils basés sur l'analyse du spectre lumineux émis par un objet. En lui supposant des caractéristiques proches de celles du corps noir et que le transfert radiatif ne perturbe pas trop son rayonnement, la mesure de la luminance énergétique sur deux plages convenablement choisies permet de déterminer sa température. Le thermomètre infrarouge effectue ainsi une mesure analogue à celle de la température de couleur utilisée en éclairage.