Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

15Température et thermomètres

Il y a deux hivers, trois bols d’eau ont trompé tes deux mains : la même eau paraissait chaude à l’une et fraîche à l’autre. Nous promettions alors qu’un instrument trancherait un jour ce genre de dispute. Le voici — le thermomètre, le petit juge de verre qui transforme le chaud et le froid en un nombre.

15.1 Pourquoi le toucher ne suffit pas

Exemple 15.1 (Des juges partiaux)

Le toucher juge mal en toute saison : le toboggan en métal paraît plus froid que le banc en bois placé à la même ombre ; l’eau tiède paraît chaude à une main froide et fraîche à une main chaude ; et au retour de la luge, le couloir glacial paraît douillet. Pour comparer honnêtement le chaud et le froid — d’une pièce à l’autre, d’un jour à l’autre, d’une personne à l’autre — il nous faut un juge qui ne change jamais d’avis : un instrument.

15.2 Le thermomètre et ses degrés

Définition 15.2 (Température)

La température d’un objet est le nombre qui dit exactement à quel point il est chaud ou froid. Nombre plus grand, objet plus chaud ; nombre plus petit, objet plus froid. La température se mesure en degrés Celsius, notés ${}^{\circ}\mathrm{C}$ , avec un thermomètre.

Proposition 15.3 (Les deux repères de l’eau)

L’échelle Celsius est accrochée aux deux grands changements d’état de l’eau :

à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , l’eau gèle et devient de la glace (et la glace fond) ;
à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , l’eau bout et devient de la vapeur.

Entre les deux repères, l’échelle est découpée en $100$ degrés égaux — un escalier de petites marches, de la glace à la vapeur.

Un thermomètre : le liquide rouge monte quand on le réchauffe. Ici, il s’arrête au trait 25 — la température est de 25\, C. — Un thermomètre : le liquide rouge monte quand on le réchauffe. Ici, il s’arrête au trait $25$ — la température est de $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exemple 15.4 (Comment travaille le juge de verre)

Dans le tube fin du thermomètre est enfermé un liquide coloré. La chaleur fait gonfler ce liquide d’un tout petit peu — et, dans un tube aussi fin, un petit gonflement pousse visiblement la colonne vers le haut. Le froid la fait redescendre. Le liquide ne se laisse pas tromper comme une main : il gonfle de la même façon pour la même chaleur, aujourd’hui, demain, pour tout le monde.

Un vrai thermomètre sur son mur : la colonne rouge grimpe le long de l’échelle, et tous ceux qui lisent le trait obtiennent le même nombre.

15.3 Lire un thermomètre

Méthode 15.5 (Lire un thermomètre)

Placer le thermomètre là où l’on veut la température — dans l’eau, à l’ombre dehors, sous la langue ;
attendre — le liquide a besoin de temps pour finir de monter ou de descendre ; le regarder jusqu’à ce qu’il s’arrête ;
mettre l’œil au niveau du sommet de la colonne ;
lire le nombre au trait atteint par la colonne, et l’écrire avec son unité : $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Lire trop tôt, ou de biais, donne un nombre faux — le juge est honnête, mais il faut l’interroger correctement.

Exemple 15.6 (Des températures à retenir)

Quelques nombres qui méritent d’être sus par cœur : une pièce agréable est à environ $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; ton corps se maintient à environ $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , été comme hiver (bien au-dessus, c’est de la fièvre — le thermomètre du médecin le sait) ; le réfrigérateur tient environ $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; une journée d’été chaude atteint $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; l’eau du bain est agréable vers $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Quatre températures familières : plus la colonne est haute, plus l’objet est chaud.

15.4 Au-dessous de zéro

Exemple 15.7 (Les nombres de l’hiver)

Un matin de gel, la colonne descend au-dessous du trait $0$ . Les traits continuent là-dessous, et on les lit avec le mot « moins » : un trait sous zéro, c’est moins un degré, cinq traits sous zéro, c’est moins cinq, que l’on écrit $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Les nombres négatifs sont plus froids que zéro, et plus ils descendent, plus le gel est rude : un matin à $-10$ mord plus fort qu’un matin à $-2$ . Le bulletin météo les annonce tous les soirs d’hiver.

Remarque 15.8 (Zéro ne veut pas dire « rien »)

Sur cette échelle, $0$ ne signifie pas « aucune température » — ce n’est que le trait où l’eau gèle, un repère comme un panneau au bord de la route. Le temps peut être plus chaud que ce repère ou plus froid ; le thermomètre dit simplement de quel côté, et de combien de traits. (Les nombres au-dessous de zéro ont toute une arithmétique à eux — ton cours de mathématiques s’en occupera pour de bon dans une année plus avancée.)

15.5 Exercices

Exercice 15.1 ★

Pourquoi un thermomètre juge-t-il le chaud et le froid plus honnêtement que ta main ? Cite une façon dont les mains ont été trompées dans des chapitres précédents.

Solution

Solution de Exercice 15.1.

Le thermomètre donne le même nombre pour la même chaleur, qui que soit le lecteur et à n’importe quel moment. Les mains ont été trompées par les trois bols (la même eau tiède paraissait à la fois chaude et fraîche) et par le métal, qui paraît plus froid que le bois placé à la même ombre.

Exercice 15.2 ★

À quelle température l’eau gèle-t-elle ? À laquelle bout-elle ? Dans quelle unité sont ces deux nombres ?

Solution

Solution de Exercice 15.2.

L’eau gèle à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et bout à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — les deux nombres sont en degrés Celsius.

Exercice 15.3 ★

Qu’arrive-t-il au liquide du tube fin quand on réchauffe le thermomètre ? Quand on le refroidit ? Pourquoi un si petit changement se voit-il si nettement ?

Solution

Solution de Exercice 15.3.

Réchauffé, le liquide enfermé gonfle et la colonne monte ; refroidi, il se rétracte et la colonne descend. Le tube est si fin qu’un gonflement minuscule fait visiblement monter la colonne.

Exercice 15.4 ★

Cite les deux erreurs contre lesquelles Méthode 15.5 met en garde au moment de lire un thermomètre.

Solution

Solution de Exercice 15.4.

Lire trop tôt (avant que la colonne ne se soit arrêtée), et lire de biais au lieu de mettre l’œil au niveau du sommet de la colonne.

Exercice 15.5 ★

Associe chaque objet à sa température probable — $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : de l’eau qui bout ; un salon douillet ; l’intérieur du réfrigérateur ; ton propre corps.

Solution

Solution de Exercice 15.5.

De l’eau qui bout : $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Un salon douillet : $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Le réfrigérateur : $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Ton corps : $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercice 15.6 ★

Le thermomètre de bain indique $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; la casserole sur la cuisinière indique $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Laquelle est la plus chaude, et peut-on toucher la casserole sans danger ? De combien de degrés la casserole est-elle plus chaude que le bain ?

Solution

Solution de Exercice 15.6.

La casserole est plus chaude, de $100 - 35 = 65$ degrés — bien trop chaude pour être touchée : elle est à la température d’ébullition.

Exercice 15.7 ★

Un thermomètre d’hiver montre la colonne $3$ traits sous zéro. Comment dit-on et comment écrit-on cette température ? Fait-il plus froid ou plus chaud qu’à $-8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solution

Solution de Exercice 15.7.

Moins trois degrés Celsius, que l’on écrit $-3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Il fait plus chaud qu’à $-8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : huit traits sous zéro, c’est s’enfoncer plus loin dans le gel que trois.

Exercice 15.8 ★

Hier, le thermomètre du jardin indiquait $6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ au petit-déjeuner et $14\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ au déjeuner. De combien de degrés la matinée s’est-elle réchauffée ?

Solution

Solution de Exercice 15.8.

$14 - 6 = 8$ : la matinée s’est réchauffée de $8$ degrés.

Exercice 15.9 ★

Les flaques du trottoir se sont changées en glace pendant la nuit. Que peux-tu dire de la température de la nuit, sans aucun thermomètre ? Quel repère utilises-tu ?

Solution

Solution de Exercice 15.9.

La nuit est descendue au-dessous de $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — le repère où l’eau gèle. Des flaques gelées sont un thermomètre fait de météo.

Exercice 15.10 ★★

En rentrant tout droit de la luge, Emma se précipite dans le couloir et s’écrie : « On étouffe ici ! » Le thermomètre du couloir indique $16\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Fait-il chaud dans le couloir ? Pourquoi Emma le ressent-elle ainsi — et quel juge la famille doit-elle croire ?

Solution

Solution de Exercice 15.10.

Non — $16\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ est du côté frais de l’agréable. La peau d’Emma compare le couloir au jardin glacé qu’elle vient de quitter : il lui paraît donc douillet. La famille doit croire le thermomètre : il compare avec les repères fixes de son échelle, et non avec l’endroit d’où il vient.

Exercice 15.11 ★★

Une cuisinière veut savoir si une soupe à gros bouillons devient plus chaude à mesure qu’elle bout. Elle mesure : après une minute d’ébullition, $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; après dix minutes, toujours $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Que lui apprend le thermomètre sur l’eau qui bout — et sur les repères de l’eau ?

Solution

Solution de Exercice 15.11.

L’eau qui bout reste à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , quelle que soit la durée de l’ébullition — le repère est un plafond : chauffer davantage fabrique plus de vapeur, pas de l’eau plus chaude. C’est justement pour cela que $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ a pu être choisi comme repère fiable.

Termes définis dans ce chapitre

Température

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