Un point d’histoire sur les repères choisis

On pense que la paternité de l’instrument revient à Galilée qui a conçu vers 1592 une sorte de thermoscope [Dessin ci-contre Tom thermo galilée]. C’est avec J. Rey, en 1631, qu’un dispositif de type thermomètre est conçu.

Ce dispositif a eu une importance parce qu’il a permis à Boyle, Hooke et Huygens de remarquer trente ans plus tard que des phénomènes se produisaient à températures constantes. Inversement, ce sont ces phénomènes qui ont permis de perfectionner le thermomètre en lui attribuant un rôle de repère : les températures de congélation et d’ébullition. C’est Hooke, Huygens, Renaldini et Newton qui y contribuent, et non pas spécialement Celsius.

Fahrenheit fait lui le choix d’autres repères. Il ne souhaite pas avoir de valeurs négatives. Il place donc son 0 à la valeur la plus basse qu’il puisse obtenir, avec un mélange d’eau, de glace et de sel de mer ; l’autre référence est la température du corps humain qu’il place à 96, probablement parce que c’est un diviseur de 6, 4, 3 et 2 (Hecht, 1999, p.532-533). Ainsi, les températures de congélation et d’ébullition qui sont respectivement à 0 et 100 sur l’échelle Celsius sont à 32 et 212 avec l’échelle de Fahrenheit.

Ces différentes échelles et les repères choisis montrent que les valeurs des températures et leurs intervalles ne vont pas de soi : ce sont des constructions, des tentatives rationnelles de comprendre et décrire des phénomènes.

Une autre échelle existe : l’échelle Kelvin (K). Elle n’a pas de valeur négative car elle commence à 0 K. Que signifie alors ce 0 K ? C’est la température la plus basse pouvant théoriquement être obtenue (environ -273,15 sur l’échelle Celsius). En effet, si les gaz se dilatent avec l’augmentation de la température, ils se contractent lorsqu’ils refroidissent. Donc en mesurant le volume d’un même gaz à quelques températures, on observe que le volume de ce gaz évolue linéairement avec sa température. On peut alors mettre en évidence un zéro absolu : à cette température, un gaz n’aurait plus de volume. En pratique, on ne peut pas atteindre cette température mais seulement s’en rapprocher.

Comment expliquer cela ? En fait, l’essentiel du volume d’un gaz est dû aux espaces entre les molécules. Plus la température est élevée, plus les molécules s’agitent ; les collisions entre ces molécules augmentent et les espaces intermoléculaires augmentent alors également. Mais plus la température diminue, plus ces espaces intermoléculaires diminuent ; le volume du gaz diminue alors à l’oeil nu. 

Figure : pour une quantité de matière donnée, un gaz chaud occupe un plus grand volume qu’un gaz froid parce que les espaces intermoléculaires sont plus grands.