Collection · Thermomètre de Galilée
Comment fonctionne un thermomètre de Galilée : la densité qui trie les sphères
Le fonctionnement du thermomètre de Galilée repose sur une seule grandeur : la densité du liquide du tube, qui baisse d'environ 0,08 % par degré. Chaque sphère est lestée pour flotter exactement à la température gravée sur son étiquette. Plus chaud, elle coule ; plus froid, elle remonte. Il n'y a ni pile, ni mercure, ni pièce mobile autre que les sphères.
Le principe : la poussée d'Archimède rencontre la dilatation thermique
Un corps plongé dans un liquide reçoit une poussée verticale égale au poids du liquide déplacé. Si sa densité est inférieure à celle du liquide, il flotte ; si elle est supérieure, il coule. Dans un thermomètre de Galilée, les sphères ont une densité fixe (le verre et le lest ne changent pas), tandis que le liquide du tube se dilate quand il chauffe. Sa masse ne varie pas, mais son volume augmente, donc sa densité diminue. À 18 °C, le liquide porte toutes les sphères ; à 26 °C, il est devenu trop léger pour en soutenir la plupart. C'est cette variation, minuscule mais régulière, que l'instrument transforme en affichage visible.
Galilée a mis en évidence vers 1600 que la densité des liquides dépend de la température, mais ce sont ses successeurs de l'Accademia del Cimento, à Florence, qui ont construit le premier instrument sur ce principe vers 1660 (voir l'histoire du thermomètre de Galilée).
Ce qu'il y a dans le tube
Le liquide est presque toujours un hydrocarbure incolore : paraffine liquide ou kérosène désodorisé, parfois une huile minérale légère. Ce choix n'est pas esthétique. L'eau se dilate de 0,021 % par degré autour de 20 °C, alors qu'un hydrocarbure léger se dilate de 0,08 à 0,09 % par degré, soit quatre fois plus. Un écart de température donné produit donc un écart de densité quatre fois plus net, ce qui facilite le calibrage des sphères. Autre avantage : l'hydrocarbure ne gèle pas à 0 °C et ne dépose pas de calcaire sur le verre.
| Liquide | Densité à 20 °C | Dilatation par °C | Utilisation |
|---|---|---|---|
| Kérosène désodorisé / paraffine liquide | 0,78 à 0,82 | 0,08 à 0,09 % | Modèles du commerce |
| Éthanol | 0,79 | 0,11 % | Rare, s'évapore par les joints |
| Eau | 0,998 | 0,021 % | Bricolage uniquement, calibrage difficile |
| Mercure | 13,5 | 0,018 % | Jamais : trop dense, toxique |
Comment chaque sphère est calibrée
Chaque sphère est une bulle de verre soufflé partiellement remplie d'un liquide coloré (le colorant ne joue aucun rôle physique), fermée puis équipée d'un lest en laiton gravé. Le fabricant ajuste la masse de ce lest au milligramme près pour que la densité globale de la sphère soit égale à celle du liquide du tube à la température gravée. Entre deux sphères voisines d'un modèle à pas de 2 °C, la différence de densité n'est que de 0,16 à 0,18 %. Sur une sphère de 15 g, cela représente environ 25 mg de laiton : un ajustage fin, ce qui explique les écarts de qualité entre marques.
Conséquence pratique : une sphère dont l'étiquette annonce 22 °C a une densité légèrement supérieure à la sphère 24 °C et inférieure à la sphère 20 °C. Quand le liquide est à 23 °C, il est plus léger que les sphères 22 et 20 (qui coulent) et plus lourd que les sphères 24 et 26 (qui flottent). La frontière entre les deux groupes est la température de la pièce, comme l'explique la page sur la lecture du thermomètre de Galilée.
À retenir : les sphères ne « mesurent » rien. C'est le liquide qui change ; les sphères servent de repères fixes de densité, exactement comme les graduations d'une règle.
Pourquoi la réponse prend 20 à 30 minutes
Un tube de 28 cm contient environ 100 ml de liquide, un tube de 44 cm environ 300 ml. Le verre conduit mal la chaleur et le liquide ne bouge que par convection lente. Après un déplacement ou un changement de température de la pièce, il faut 20 à 30 minutes pour que le liquide atteigne l'équilibre, contre 1 à 2 minutes pour la sonde d'un thermomètre numérique. Pendant cette phase, une sphère peut descendre lentement, s'arrêter à mi-hauteur puis repartir : elle traverse une zone où le liquide n'a pas encore une température uniforme.
Ce délai a un avantage : l'instrument lisse les courants d'air et affiche une moyenne représentative de la pièce, ce qu'un capteur rapide ne fait pas.
Erreur fréquente : croire que la couleur ou la taille compte
Les sphères sont toutes de même diamètre et leurs couleurs sont purement décoratives, choisies pour être distinguées de loin. Seul le lest gravé les différencie. Une autre confusion tient au sens de déplacement : on s'attend à ce que les sphères montent quand il fait chaud, comme la colonne d'un thermomètre à alcool. C'est l'inverse, parce que c'est le liquide qui s'allège et non les sphères. Enfin, poser l'objet près d'un radiateur ou au soleil fausse l'affichage de 3 à 4 °C, comme n'importe quel thermomètre d'intérieur mal placé.
Pour qui ce n'est pas fait
Le principe impose une précision de ±1 à ±2 °C, une plage étroite (typiquement 18 à 26 °C sur 5 sphères, 16 à 28 °C sur 11 sphères) et aucune mémoire. Pour surveiller une chambre de bébé, une cave, un réfrigérateur ou un terrarium, ce n'est pas l'instrument adapté ; un capteur numérique à ±0,5 °C convient mieux. Le thermomètre de Galilée reste un objet de démonstration et de décoration dont la lecture est honnête, à condition de connaître ses limites, détaillées dans la page sur sa précision réelle.
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Questions fréquentes
Pourquoi les boules descendent-elles quand il fait chaud ?
Parce que le liquide du tube se dilate en chauffant et devient moins dense, alors que les sphères gardent leur densité. Le liquide ne peut plus porter les sphères les plus lourdes, qui coulent. En refroidissant, il se contracte, redevient plus dense et les sphères remontent une à une.
Quel liquide contient un thermomètre de Galilée ?
Le plus souvent du kérosène désodorisé ou de la paraffine liquide, de densité 0,78 à 0,82, choisis pour leur forte dilatation thermique (0,08 à 0,09 % par degré). Ce liquide est inflammable mais peu toxique ; en cas de casse, aérer et essuyer avec du papier absorbant.
Que contiennent les sphères colorées ?
Du verre soufflé, un peu de liquide teinté et un lest en laiton gravé d'une température. Le colorant est décoratif. Seule la masse du lest, ajustée au milligramme, fixe la température à laquelle la sphère flotte entre deux eaux.
Le thermomètre de Galilée fonctionne-t-il sans électricité ?
Oui, entièrement. Il n'utilise que la dilatation du liquide et la poussée d'Archimède. Il ne contient ni pile, ni mercure, ni ressort, et ne s'use pas tant que le tube reste scellé et à l'abri du gel et du soleil direct.