Thermomètre de Galilée

Un thermomètre de Galilée (du nom du physicien italien Galileo Galilei), est un thermomètre constitué d'un cylindre de verre scellé contenant un liquide transparent et une série d'objets dont les densités sont conçues pour qu'ils coulent un à un, à mesure que le liquide est chauffé et que sa densité diminue.

Il est probable que Galilée ait effectivement inventé cet instrument — ou un instrument approchant — dans les dernières années du XVI siècle.

Un certain nombre de poids sont en suspension dans le liquide. En général les poids sont eux-mêmes des ampoules de verre scellées contenant des liquides de différentes couleurs pour produire un effet plus attrayant. Lorsque le liquide contenu dans le cylindre subit des changements de température, sa densité se modifie. Les ampoules sont alors libres de se déplacer, de monter ou descendre pour atteindre une position où leur densité est égale à celle du milieu liquide, leur mouvement pouvant être arrêté par d'autres ampoules. Si les densités de chacune des ampoules diffèrent un tant soit peu et qu'elles se trouvent classées de sorte que la moins dense soit en haut et la plus dense au bas, elles peuvent former une échelle de températures.

La température est généralement gravée sur un disque de métal suspendu sous chaque ampoule. En règle générale, un espace tend à séparer un groupe d'ampoules du haut d'un groupe du bas : la température doit être lue sur le disque situé à la base du groupe du haut ; si une ampoule flotte entre les deux groupes, on en déduit une température intermédiaire, un peu inférieure. Pour atteindre cet objectif, la fabrication d'un tel thermomètre doit avoir des tolérances de poids inférieures au milligramme .

Le thermomètre de Galilée fonctionne en raison du principe de flottabilité, qui détermine si un objet flotte ou bien coule dans un liquide, et fait que même des bateaux en acier peuvent flotter.

Le seul facteur qui détermine si un grand objet flotte ou coule dans un liquide est la densité de l'objet par rapport à la densité du liquide dans lequel il est placé. Si la masse de l'objet est supérieure à la masse du liquide déplacé, l'objet va couler. Si la masse de l'objet est inférieure à la masse du liquide déplacé, l'objet flotte.

Supposons qu'il y ait deux objets, chacun étant un cube de 10 cm d'arête (c'est-à-dire d'un litre). La masse d'eau déplacée par un objet de cette taille est de 1 kg. L'objet brun, sur la gauche de la figure 1, flotte parce que la masse d'eau qu'il déplace (0,5 kg) est égale à la masse de l'objet. L'objet vert, à droite, coule parce que la masse d'eau qu'il déplace (1 kg) est inférieure à la masse de l'objet (2 kg).

Tous les objets faits de la matière verte, comme celui de la figure 1, n'ont pas la propriété de couler. Dans la figure 2, l'intérieur de l'objet vert a été creusé. La masse totale de l'objet est maintenant de 0,5 kg, mais son volume demeure le même : il flotte alors à moitié hors de l'eau, comme le fait l'objet brun de la figure 1.

Dans les exemples ci-dessus, le liquide dans lequel baignent les différents objets est supposé être de l'eau. L'eau a une densité de 1 kg/l, ce qui signifie que la masse d'eau déplacée par l'un de ces objets, lorsqu'il est complètement submergé, est de 1 kg.

Galilée a découvert que la densité d'un liquide dépend de sa température. C'est la clé du fonctionnement du thermomètre de Galilée.

La figure 3 montre un objet creux de 1 kg fait de la matière verte. Dans le récipient de gauche, la densité du liquide est 1,001 kg/l : comme l'objet pèse moins que le volume d'eau qu'il déplace, il flotte. Dans le récipient de droite, la densité du liquide est 0,999 kg/l : comme l'objet pèse plus que le volume d'eau déplacé, il coule. Cela montre que de très petites modifications de la densité du liquide peuvent amener facilement un objet quasi-flottant à couler.

Dans le thermomètre de Galilée, les petites ampoules de verre sont partiellement remplies d'un autre liquide (de couleur). Une fois les ampoules scellées, leur densité est ajustée au moyen du métal des petits disques suspendus sous elles. Même si ces ampoules se dilatent et se contractent selon l'évolution des températures, l'effet sur leur densité est négligeable. Le chauffage et le refroidissement du liquide coloré et de l'air qu'elles contiennent n'ont pas grande influence sur leur densité. Le liquide transparent dans lequel baignent les ampoules n'est pas l'eau, mais un composé inerte d'hydrocarbures, probablement choisi parce que sa densité varie avec la température plus que celle de l'eau, ou bien parce que l'eau génère sur les bords du récipient des bulles d'air qui entravent le fonctionnement. Ce changement de densité du liquide transparent avec les variations de température détermine les mouvements verticaux des ampoules.

La figure 4 montre une représentation schématique d'un thermomètre de Galilée à deux températures différentes (les marques de température, sur cet exemple, sont en Fahrenheit).

Dans le cas du modèle de thermomètre représenté sur les photographies, gradué de deux en deux degrés Celsius ou de quatre en quatre Fahrenheit, il est précisé par le fabricant que la différence de poids de deux ampoules consécutives est d'environ 6 mg. La température est à lire sur la médaille inférieure du groupe d'ampoules situées en haut, éventuellement minorée d'un degré Celsius (ou de deux Fahrenheit) si une ampoule est en mouvement dans l'intervalle entre les deux groupes haut et bas. La précision de l'ensemble est de l'ordre d'un degré Celsius (ou deux Fahrenheit).

Bien entendu, les diamètres des ampoules et du tube sont prévus pour éviter tout désordre entre les ampoules, qui doivent descendre les unes après les autres dans l'ordre et sans se gêner, à mesure que s'élève la température ambiante. Il faut compter aussi sur un léger retard de réaction du thermomètre aux changements de température.

Les thermomètres existants ont une précision de quelques milligrammes pour les objets flottants (donc environ 0,5 °C). Il en existe à cinq, sept et huit boules principalement. L'inconvénient est qu'on ne peut pas aller à des températures trop basses ou trop hautes. Comme pour tous les thermomètres, l'exposition au soleil fausse les résultats.

Aujourd'hui, ils servent aussi d'objets décoratifs. Le fluide contenu dans le tube est un mélange d'hydrocarbures dont la nature exacte n'est pas divulguée ; les boules de verre sont quant à elles remplies d'eau ou d'alcool coloré.