Les échelles empiriques sont basées sur la mesure de paramètres physiques qui expriment la propriété d’intérêt à mesurer à travers une relation fonctionnelle formelle, le plus souvent linéaire simple. Pour la mesure de la température, la définition formelle de l’équilibre thermique en termes d’espaces de coordonnées thermodynamiques des systèmes thermodynamiques, exprimée dans la loi zéro de la thermodynamique, fournit le cadre pour mesurer la température.

Toutes les échelles de température, y compris l’échelle de température thermodynamique moderne utilisée dans le Système international d’unités, sont étalonnées en fonction des propriétés thermiques d’une substance ou d’un dispositif particulier. Typiquement, ceci est établi en fixant deux points de température bien définis et en définissant des incréments de température via une fonction linéaire de la réponse du dispositif thermométrique. Par exemple, l’ancienne échelle Celsius et l’échelle Fahrenheit étaient à l’origine basées sur l’expansion linéaire d’une colonne de mercure étroite dans une plage de température limitée, chacune utilisant des points de référence et des incréments d’échelle différents.

Différentes échelles empiriques peuvent ne pas être compatibles entre elles, à l’exception de petites régions de chevauchement de température. Si un thermomètre à alcool et un thermomètre à mercure ont deux mêmes points fixes, à savoir le point de congélation et le point d’ébullition de l’eau, leur lecture ne s’accordera qu’aux points fixes, comme le linéaire 1:1 la relation d’expansion entre deux substances thermométriques quelconques peut ne pas être garantie.

Les échelles de température empiriques ne reflètent pas les lois microscopiques fondamentales de la matière. La température est un attribut universel de la matière, mais les échelles empiriques cartographient une plage étroite sur une échelle connue pour avoir une forme fonctionnelle utile pour une application particulière. Ainsi, leur portée est limitée. Le matériau de travail n’existe sous une forme que dans certaines circonstances, au-delà desquelles il ne peut plus servir d’échelle. Par exemple, le mercure gèle en dessous de 234.32 K, donc une température inférieure à celle-ci ne peut pas être mesurée sur une échelle basée sur le mercure. Même SON-90, qui s’interpole entre différentes plages de température, n’a qu’une plage de 0,65 K à environ 1358 K (-272,5 ° C à 1085 ° C).

Échelle de gaz idéalEdit

Lorsque la pression approche de zéro, tout le gaz réel se comportera comme un gaz idéal, c’est-à-dire pV d’une mole de gaz ne dépendant que de la température. Par conséquent, nous pouvons concevoir une échelle avec pV comme argument. Bien sûr, toute fonction bijective fera l’affaire, mais pour plus de commodité, la fonction linéaire est la meilleure. Par conséquent, nous le définissons comme

T = 1 n R lim p → 0 p V. {\displaystyle T = {1\sur nR}\lim_ {p\ à 0}{pV}.}

L’échelle du gaz idéal est en quelque sorte une échelle « mixte ». Il repose sur les propriétés universelles du gaz, une grande avancée par rapport à une substance particulière. Mais c’est encore empirique car il place le gaz dans une position spéciale et a donc une applicabilité limitée — à un moment donné, aucun gaz ne peut exister. Une caractéristique distinctive de l’échelle des gaz idéaux, cependant, est qu’elle est exactement égale à l’échelle thermodynamique lorsqu’elle est bien définie (voir ci-dessous).

Échelle internationale de température de 1990Modifier

ITS-90 est conçu pour représenter l’échelle de température thermodynamique (référençant le zéro absolu) aussi étroitement que possible dans toute sa gamme. De nombreux modèles de thermomètre différents sont nécessaires pour couvrir toute la gamme. Il s’agit notamment des thermomètres à pression de vapeur d’hélium, des thermomètres à gaz d’hélium, des thermomètres à résistance standard au platine (appelés SPRT, PRT ou RTD au platine) et des thermomètres à rayonnement monochromatique.

Bien que les échelles Kelvin et Celsius soient définies en utilisant le zéro absolu (0 K) et le point triple de l’eau (273,16 K et 0,01 ° C), il n’est pas pratique d’utiliser cette définition à des températures très différentes du point triple de l’eau. En conséquence, ITS-90 utilise de nombreux points définis, tous basés sur divers états d’équilibre thermodynamique de quatorze éléments chimiques purs et d’un composé (eau). La plupart des points définis sont basés sur une transition de phase; en particulier le point de fusion / congélation d’un élément chimique pur. Cependant, les points cryogéniques les plus profonds sont basés exclusivement sur la relation pression de vapeur / température de l’hélium et de ses isotopes tandis que le reste de ses points froids (ceux inférieurs à la température ambiante) sont basés sur des points triples. Des exemples d’autres points de définition sont le point triple de l’hydrogène (-259,3467 ° C) et le point de congélation de l’aluminium (660,323 ° C).

Les thermomètres calibrés selon ITS-90 utilisent des formules mathématiques complexes pour interpoler entre ses points définis. ITS-90 spécifie un contrôle rigoureux des variables pour assurer la reproductibilité d’un laboratoire à l’autre. Par exemple, le faible effet de la pression atmosphérique sur les différents points de fusion est compensé (effet qui ne dépasse généralement pas un demi-millikelvine pour les différentes altitudes et pressions barométriques susceptibles d’être rencontrées). La norme compense même l’effet de pression dû à la profondeur d’immersion de la sonde de température dans l’échantillon. ITS-90 établit également une distinction entre les points de « congélation » et de « fusion ». La distinction dépend du fait que la chaleur entre (fusion) ou sort (congélation) de l’échantillon lorsque la mesure est effectuée. Seul le gallium est mesuré lors de la fusion, tous les autres métaux sont mesurés pendant la congélation des échantillons.

Il existe souvent de petites différences entre les mesures étalonnées selon ITS–90 et la température thermodynamique. Par exemple, des mesures précises montrent que le point d’ébullition de l’eau VSMOW sous une atmosphère standard de pression est en fait de 373,1339 K (99,9839 ° C) en respectant strictement la définition à deux points de la température thermodynamique. Lorsqu’il est étalonné à ITS-90, où il faut interpoler entre les points de définition du gallium et de l’indium, le point d’ébullition de l’eau VSMOW est d’environ 10 mK de moins, soit environ 99,974 ° C. La vertu de ITS–90 est qu’un autre laboratoire dans une autre partie du monde mesurera facilement la même température grâce aux avantages d’une norme d’étalonnage internationale complète comportant de nombreux points de définition facilement espacés, reproductibles et couvrant une large gamme de températures.