Une modification du thermomètre à mercure

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Submitted on 1 Jan 1910

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Jacques Duclaux, A. Hamelin

To cite this version:

Jacques Duclaux, A. Hamelin. Une modification du thermomètre à mercure. J. Phys. Theor. Appl.,

1910, 9 (1), pp.600-606. �10.1051/jphystap:019100090060000�. �jpa-00241578�

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UNE MODIFICATION DU THERMOMÈTRE A MERCURE;

Par MM. JACQUES DUCLAUX et A. HAMELIN.

Tous ceux qui ^{se sont} servis de thermomètres à mercure pour des recherches de précision ^savent quels’ ^sont les inconvénients de cet

instrument, et comment sa sensibilité est, ^en fait, ^{limitée à un} point qu’il ^{serait souvent} nécessaire de dépasser. Parmi les causes qui empêchent ^{de la rendre} plus grande, fi gurent ^en première ligne ^les

variations de l’angle ^de raccordement du mercure et du verre dans le tube capillaire. Ces variations ont lieu quand ^{le mercure tend à}

monter ou à descendre : elles ont pour effet de modifier la pression

dans le réservoir, ^de changer ^{le volume de ce réservoir et de ralen-}

tir ou d’empêcher ^{le mouvement} de la colonne. Un très faible échauf- fement se traduit par ^une augmentation ^{de la convexité du} ménisque :

la flèche croît, ^{mais d’une} quantité bien inférieure à celle dont le mé-

nisque avancerait s’il conservait la même forme. Les indications du

.

thermomètre sont donc inexactes lorsque ^la température ^est peu

variable, ^et l’expérience ^montre qu’elles ^{le sont} d’autant plus que ^les variations sont plus ^lentes.

On évite, ^{comme on} sait, ^en partie ^ces inconvénients en frappant

à petits coups la tige ^du thermomètre ; ^{mais la} pratique ^montre que

ce remède est insuffisant. Nous avons pensé qu’on obtiendrait un

meilleur résultat si l’on pouvait faire que l’angle ^de raccordement fût constamment nul : ce qui peut ^{être réalisé en} remplissant ^la tige

du thermomètre, ^{au-Jessus du} mercure, d’eau acidulée _par l’acide

sulfurique, ^telle qu’on l’emploie dans l’électromètre de Lippmann (~ ).

On connaît l’extrême mobilité du ménisque ^{de mercure} observé dans cet instrument.

Pour éviter que le ^{mouvement du mercure} produise des effets élec-

trocapillaires gênants, ^{dus à} la variation de la surface de contact mer- cure-eau acidulée dans la tige, ^{celle-ci a été munie à sa} partie supé-

rieure d’une ampoule ^latérale pleine ^{de mercure et reliée} par ^un fil de platine au mercure du réservoir thermométrique. ^Cette disposi-

.

(1) ^A froid, ^il

produit pas cle réaction sensible ^entre le

et l’eau acidulée. Il

serait cependant pas prudent demaintenirindéfiniment le ménisque

à la place ^{où il} doit être observé. Il

est de même,

sait, dans l’élec- tromètre de Lippmann.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019100090060000

tion est représentée ^{dans la} flg. ^~1. Noas l’avons choisie, quoiqu’elle

ne fût pas ^la meilleure, parce qu’elle ^{était la} plus ^{facile à réaliser.}

FIG. Z.

Dans le thermomètre ainsi modifié, ^les variations de l’angle ^de

raccordement sont nulles, ^{et la} colonne de ^{mercure est} excessive- ment mobile : on s’en aperçoit, ^{sans faire aucune mesure, en lais-}

sant le thermomètre suspendu ^{à l’air et en observant à} distance le

ménisque, qui ^{avance et recule sans cesse,} tandis que celui ^d’un ther- momètre ordinaire placé parallèlement ^est beaucoup plus paresseux.

Nous avons étudié le nouvel instrument, ^d’abord seul, puis par ^com-

paraison ^avec des thermomètres à mercure de provenance diverse.

Voici quelques-unes ^des expériences que nous avons faites.

1. Fixité du zéro.

Le thermomètre a été maintenu dans la glace

d’eau distillée fondante, enfermée dans un tube à doubles parois, ^lui-

même entouré de glace ordinaire. Il a marqué :

602

Les variations apparentes ^{sont de} 01,001 ^au plus : les variations réelles sont plus faibles, ^{car nous} n’avons pas réussi à maintenir absolument constante la température ^{de la} tige ^du thermomètre ; ^et

les conditions dans lesquelles ^nous opérions ^ne permettaient ^pas l’emploi ^d’une tige correctrice.

Dans une deuxième série d’expériences, nous avons cherché si le

mercure revenait au même point après ^des variations rapides : ^on pouvait ^{craindre en effet} qu’il ^{ne restât une} gaine d’eau acidulée adhérente ^aux parois ^du tube au-dessous du ménisque, qui ^aurait

alors marqué ^une température trop ^{élevée. Un} appareil ^{a été} disposé

de telle manière que le thermomètre pût ^{être retiré de la} glace ^fon- dante, ^{échauffé ou refroidi} rapidement, ^{et rernis} dans l’enceinte à 0°.

Les variations sont insensibles, sauf dans la première expérience.

Celle-ci ^a été faite dans des conditions extrêmes : le refroidissement

a été suffisant pour ^ramener l’eau acidulée dans le réservoir, ^{et le}

mercure, après ^{avoir reculé de 20} centimètres, ^est remonté à la vitesse de plusieurs centimètres _par minute. Malgré ^{cela le zéro s’est}

à peine déplacé.

Enfin, nous avons constaté que le thermomètre, ^{échauffé de} 0° ,5,

et replongé ^sans l’agiter ^{dans la} glace fondante, marquait, après cinq ^{minutes, une} température supérieure ^{de 0°,00i environ seule-}

ment à sa température définitive. Nous croyons donc pouvoir ^con-

clure qu le ^{zéro du} nouvel instrument est fixe à moins d’un millième de degré ^{en toutes} circonstances.

2. Exactitude des indications.

La capacité calorifique ^{du réser-}

voir de notre thermomètre est la même que celle ^d’un thermomètre

calorimétrique ordinaire, soit environ ~ grammes d’eau. C’estun chiffre relativement considérable : aussi le thermomètre a-t-il, ^{comme tous} les thermomètres à mercure sensibles, ^une inertie notable, ^{et ne suit-}

il pas exactement les variations de température du milieu où il est

plongé, lorsque ^ces variations sont rapides. L’expérience ^rnontre

seulement qu’il les suit de beaucoup plus près qu’un thermomètre

ordinaire. Nous avons étudié comparativement ^{deux lie ces} derniers,

l’un à tige plate ^{et à chemise} extérieure, de construction allemande : l’autre en verre dur, ^{à trou} rond, ^{de chez un très bon} constructeur

français.

Les thermomètres étaient placés côte à côte dans une masse de mer- cure de 2 kilogrammes environ, ^{contenue dans un} large ^tube plongé

dans un thermostat. En approchant ^ou éloig nant du thermostat une

petiteflamme auxiliaire, ^on peut ^{avoir des} variations de température

trèsfaibles et très lentes. Les réservoirs des thermomètres étaient à peu près de mêmes dimensions et de même épaisseur (les différences étant en faveur des thermomètres de comparaison); ^{ils auraient}

donc du donner des indications sensiblement concordantes. Au con-

traire, ^les variations du nôtre ont été incomparablement plus ^nettes.

F1G. 2.

La fige 2 représente ^des variations simultanées de notre thermo- mètre et du thermomètre à trou plat. ^On voit que ^ce dernier est tou-

jonrs ^{en retard, et que, de} plus, ^{la courbe} qu’il ^décrit comprend ^de

nombreux paliers partout ^où les variations sont très lentes. Ses indi- cations sont donc tout à fait inexactes.

La flg. ³ correspond ^au thermomètre à trou rond. Les observations ont été faites avec une précision plus grande, ^{et les courbes} repor- tées à une échelle plus grande ^{aussi. Là encore, la courbe du ther-}

momètre de comparaison ^est coupée de nombreux paliers : ^{celle du}

nôtre n’en montre aucun. Observé à la lunette, ^{le mercure} n’y paraît jamais immobile, tanlis que celui du thermomètre de comparaison

est resté, ^{au début de} l’expérience (non figuré ^{sur la} courbe), ^absolu-

*

604

ment fixe pendant ^{treize minutes, donnant} ainsi l’illusion _{que la} tem-

pérature du thermostat était constante à v°,0001 près, ^alors qu’elle

avait varié en réalité de On ,0028. ^{Les deux} thermomètres de compa- raison trou plat ^{et trou rond sont} sensiblement équivalents ; ^{ils ne}

FIG. 3.

commencent à donner des indications (inexactes d’ailleurs) que pour des différences de température supérieures ^{à 0° ,002 ou} 0°,003, ^tandis que le ^nôtre enregistre des variations de 01,00005, cinquante ^fois plus ^faibles.

3. U 11 troisième procédé ^de co rn paraison ^{consiste à observer la}

marche d’un thermomètre au centre d’une masse de mercure conte- nue dans ^un thermostat dont ^on baisse la veilleuse, de manière à obtenir des variations extrêmement lentes (0°,1 par heure par

exemple). ^{Dans ces} conditions, ^{le nôtre descend} régulièrement, ^tan-

dis _qne les thermomètres de comparaison descendent par ^{une série} de saccades. Pour apprécier l’importance ^{de ces saccades, il suffit}

de tracer une courbe régulières passant ^au milieu des points ^obser-

vés, ^{et devoir à} quelle distance de cette courbe se tiennent ces points.

Cette distance peut ^être prise pour ^mesure de l’amplitude ^{des sac-}

cades ou des irrégularités ^de la marche du thermomètre. Nous avons

ainsi trouvé, _pour ^le nôtre, ^{un écart} _moyen ^de 01,000021 ^{avec un}

écart maximum de 0°,0000~~ pour ^une observation isolée, tandis que les nombres correspondants, pour le thermomètre de comparaison

à trou plat, étaient de 0°,00016 ^et 0~,000~5, respectivement ^{8 et}

5 fois plus grands, quoique le refroidissement fût sensiblement plus rapide. ^{En fait, avec notre} thermomètre, les variations ne dépassaient

pas l’erreur de lecture, qui atteignait ^environ 0° ,000033, ^{nombre cor-} respondant ^{à un} déplacement ^du ménisque ^de 3 u seulement. Il est donc probable que ^la marche du thermomètre nouveau est absolument

régulière, ^tandis qu’il ^{est certain} que celle du thermomètre de com-

paraison ^ne l’est pas.

4. Enfin, nous avons cherché à appliquer ^notre thermomètre à la

mesure de variations de température ^très faibles, ^connues j)riori :

nous avons choisi le phénomène ^{de fusion de la} glace ^sous pression variable, ^{observé dans un} appareil ^{facile à} imaginer, qu’il ^{nous semble}

inutile de décrire. Voici les résultats obtenus : P désigne ^la pression

en centimètres d’eau, ^la température de fusion observée en prenant pour ⁰ le point ^{de fusion sous la} pression atmosphérique, ^{K le} quo- tient, multiplié par 1000, ^{de ces ùellx} quantités :

Les nombres de la dernière colonne ne s’écartent, ^{comme on le} voit, que. ^{de 4} 0/0 ^au plus ^{de leur} moyenne 0,00593, quoique ^{les va-}

riations de température ^soient moindres que 0° ,002, c’est-à-dire ab- solument insensibles à un thermomètre ordinaire. L’écart le plus

considérable correspond ^{à une erreur de} 0°,00006 ^{seulement sur}

la différence de deux lectures, quantité ^à peine ^{double de l’erreur} (00,000035) possible ^sur chaque ^{lecture. Ici donc encore, l’erreur}

propre du thermomètre n’a pu être mise en évidence (1). ^Pour

obtenir la rnême précision ^{avec un} thermomètre cryoscopique ordinaire, il aurait fallu employer ^des pressions ^{au moins 20 fois} plus grandes.

(1) Cependant la moyenne des nombres ^trouvés correspond ^à

variation du

point de fusion de 0°,OOG2 par atmosphère, ^nombre

différent de celui

(0°,0015) que l’on peut calculer par l’équation ^de Clapeyron. ^La tige ^{de notre ther-}

momètre n’étant pas c3,libr¿e (première

d’erreur),

n’avons pas cher- ché à faire

expériences

grande précision ;

depuis que les températures avaient été mesurées par défaut et les pressions par

excès.

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Nous pensons donc que ^ce dispositif permet d’utiliser le thermo- mètre à mercure à des mesures inabordables avec les instruments ordinaires. Bien entendu, ^{les erreurs de} calibrage, ^{ou celles} qui ^sont

dues à l’inertie thermique ^{de la masse} mercurielle, ^ne peuvent ^être

’

corrigées ainsi, ^à moins que l’on ^ne puisse employer ^des tiges ^en-

core plus ^fines (la ^nôtre ayant 0~~,1 environ) ^et par suite des réser- voirs plus petits. Notre thermomètre reste, ^{à ce double} point ^de vue, inférieur au thermomètre à résistance de platine ; ^{mais il} l’emporte

de beaucoup ^{sur lui sous le} rapport de l’économie et de la facilité

d’emploi. ^On pourrait ^lui objecter que des forces thermoélectriques ^aux

contacts platine-mercure ou mercure-eau acidulée, peuvent déplacer

le ménisque ^{et causer des erreurs. Celles-ci} peuvent, ^{en tout cas,}

être rendues extrêmement petites ; ^car, pour ^notre thermomètre, ^une différence de potentiel ^{de 0,02} volt, ^bien supérieure ^{à toutes les forces} thermoélectriques ^{à craindre,} produisait dans le thermomètre monté

comme électromètre capillaire ^une dénivellation de mercure corres-

pondant ^a 0",Ù00zi ^seulement.

Les irrégularités de la surface intérieure du tube capillaire ^ont

moins d’importance pour ^notre thermomètre que pour le ^thermo-- mètre ordinaire. En effet, ^une petite saillie de la paroi ^{en un} point

peut produire ^{une variation} considérable de l’angle ^de raccordement du ménisque ^{en ce} point (et par suite ^une perturbation notable dans la marche du thermomètre ordinaire) ^{sans influer} sensiblement

sur la section du tube en ce point, ni par suite sur la marche du ther- momètre modifié. Cependant ^{des erreurs restent} possibles ^{du fait}

de ces inégalités ; ^{mais il est facile de} les éliminer en faisant des

mesures en différents points du tube. De par ^sa construction même, le thermomètre peut ^être employé ^comme métastatique, ^{et il est}

facile d’amener le zéro en un point quelconque ^{de la} tige.

L’instrument qui ^{nous a servi a} été construit par ~1. Berlemont,

auquel ^{nous adressons nos} remerciements.