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et aux étalons de mesure.
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Échelles de température

L'échelle normale à hydrogène

1878

Préparation des prototypes métriques. Chaque prototype métrique devait être accompagné de deux thermomètres à mercure en verre, étalonnés au BIPM. Les thermomètres furent fabriqués, à la demande du BIPM, par un fabricant d'instruments parisien du nom de Tonnelot. Les thermomètres étaient en « verre dur », un verre de très bonne qualité du point de vue de la stabilité, si bien que les mesures étaient reproductibles à quelques millièmes de degrés près. Il devint urgent d'établir une échelle de température uniforme pour les étalonner.

1884–87

Chappuis, au BIPM, œuvra à relier les lectures des meilleurs thermomètres à mercure en verre aux températures absolues (ou thermodynamiques). Dans la première partie de cette étude, il examina en détail le thermomètre à gaz à volume constant, en utilisant, tour à tour, l'hydrogène, l'azote ou le dioxyde de carbone comme fluides. L'incertitude estimée des mesures était meilleure que le centième de degré pour la plupart du domaine étudié, de –39 °C à 100 °C.

1887

Le CIPM adopta l'échelle à hydrogène à volume constant (appelée Échelle normale à hydrogène), fondée sur des points fixes au point de congélation (0 °C) et au point de vapeur (100 °C), comme échelle pratique internationale de métrologie. Cette décision fut ratifiée par la 1ère Conférence générale en 1889.

1888–89

Chappuis poursuit ses travaux de recherche au BIPM sur le thermomètre à gaz à volume constant en se servant des trois mêmes gaz que précédemment. Il en tire la conclusion que le thermomètre à volume constant est un étalon pratique plus commode que le thermomètre à pression constante. A l'instigation de Griffiths, du Kew Observatory au Royaume-Uni, il est décidé de poursuivre ces travaux avec un thermomètre à volume constant, pour étendre le domaine de température à de plus hautes températures. En collaboration avec Callendar, Griffiths met au point un thermomètre à résistance de platine qui reste stable jusqu'à 600 °C au moins. Callendar et Griffiths utilisent le point d'ébullition du soufre, qu'ils situent d'après leurs calculs à 444,53 °C, comme troisième point fixe d'étalonnage, et proposent au BIPM d'effectuer une comparaison de leurs thermomètres à résistance de platine au thermomètre à gaz à volume constant de Chappuis.

1897

Cette comparaison est effectuée par Chappuis, en collaboration avec Harker, du Kew Observatory. Elle nécessite la mise au point d'une échelle à l'azote à volume constant jusqu'au point d'ébullition du soufre. Les mesures du point du soufre effectuées par Chappuis et Harker donnent la valeur de 444,70 °C, très proche de celle obtenue précédemment par Callendar et Griffiths.

L'échelle internationale de température de 1927

1889

De nombreux points de congélation et d'ébullition furent mesurés pendant les deux dernières décennies du dix-neuvième siècle. Callendar fit une description détaillée du thermomètre à gaz lors de la réunion de 1899 de la British Association for the Advancement of Science (BAAS) et proposa une échelle de température pratique. Il proposa l'adoption d'un thermomètre à résistance de platine comme instrument de définition de l'échelle, étalonné au point de congélation de l'eau et aux points d'ébullition de l'eau et du soufre. Il proposa ensuite de choisir une coulée spécifique de platine à partir de laquelle les thermomètres servant à définir l'échelle seraient fabriqués.

Il avait l'intention de nommer cette échelle « Échelle de température de la British Association » et de la relier à l'échelle de température idéale au moyen de mesures effectuées à l'aide de thermomètres à gaz sélectionnés, au point du soufre. On ne sait pas trop pourquoi la British Association n'a pas approuvé sa proposition.

1911

La Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR, qui devint par la suite la Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB), Berlin, adressa une lettre circulaire au BIPM, au National Physical Laboratory (NPL), Teddington, et au Bureau of Standards (BS, qui devint en 1934 le National Bureau of Standards, NBS, puis en 1986 le National Institute of Standards and Technology, NIST), Washington, dans laquelle elle suggérait d'adopter l'échelle de température thermodynamique comme échelle internationale de température et sa mise en pratique selon la proposition faite en 1899 par Callendar. Le NPL et le BS approuvèrent cette proposition, les constantes du platine furent spécifiées, et il fut proposé qu'au-dessus de la limite supérieure (1100 °C) l'échelle serait définie au moyen d'un pyromètre optique.

1913

La 5e Conférence générale encouragea cette initiative et adopta une Résolution, qui demandait aux directeurs des trois laboratoires de se rencontrer pour se mettre d'accord sur cette échelle. La réunion prévue n'eut cependant pas lieu, en raison de la Première guerre mondiale.

1923

Au moment où les discussions reprirent, les trois laboratoires nationaux avaient établi une échelle pour le thermomètre à résistance de platine allant de –38 °C, le point de congélation du mercure, à 444,5 °C, le point d'ébullition du soufre, à l'aide d'une fonction d'interpolation quadratique. Lors d'une visite d'un représentant du BS au NPL et à la PTR, les bases d'une échelle internationale furent approuvées. L'échelle était fondée sur un thermomètre à résistance de platine dans le domaine de -38,81 °C à 650 °C, étalonné à 0 °C, à 100 °C et au point d'ébullition du soufre à 444,5 °C. Entre 650 °C et 1100 °C l'échelle était définie à l'aide d'un thermocouple platine/platine rhodié à 10 % étalonné aux points de congélation du zinc, de l'antimoine, de l'argent et de l'or, et à l'aide d'une fonction d'interpolation cubique. Au-dessus du point de l'or (1063 °C) elle proposait d'utiliser un pyromètre optique. Cet accord officieux fut suivi d'amples discussions auxquelles le BIPM et l'université de Leyde participèrent.

1925

En 1925 un projet fut préparé, qui fut présenté au CIPM en 1927. Le domaine du thermomètre à résistance de platine fut étendu jusqu'à –193 °C, et la fonction cubique utilisée avec le thermocouple fut remplacée par une fonction quadratique et des points d'étalonnage aux points de congélation de l'antimoine (630 °C), de l'argent (960 °C) et de l'or.

1927

La 7e Conférence générale adopta l'Échelle internationale de température de 1927, qui diffère très peu du projet de 1925. Une Conférence internationale de thermométrie devait avoir lieu en 1928, pour examiner cette échelle internationale de température plus en détail. Cette Conférence n'eut pas lieu.

L'évolution de l'EIT-27 et les changements apportés en 1948

1937

Le CIPM établit un Comité consultatif de thermométrie et calorimétrie pour le conseiller dans ce domaine. Il devint ensuite le Comité consultatif de thermométrie (CCT), qui a joué un rôle moteur dans l'évolution de l'Échelle internationale de température.

1948

La première révision de l'EIT eut lieu en 1948. Lors de cette révision, le seul changement au-dessous de 0 °C concernait la suppression de l'extrapolation au-dessous du point de l'oxygène, à –190 °C, qui n'était pas fiable. L'EIPT-48 s'étendait jusqu'à –182,97 °C. La jonction entre le thermomètre à résistance et le thermocouple, qui s'effectuait auparavant à 660 °C, se faisait dorénavant au point de congélation de l'antimoine, à 630,5 °C, et la température fixée pour le point de l'argent augmentait légèrement, de 960,5 °C à 960,8 °C. Il fut aussi décidé d'abandonner le nom « degré centigrade » pour l'unité et de le remplacer par celui de « degré Celsius ».

Les échelles à tension de vapeur 4He 1958 et 3He 1962

La relation entre la température et la tension de vapeur saturée de l'hélium liquide fournit une échelle tellement bonne et reproductible que son utilisation est bien antérieure à celle de toutes les échelles agréées sur le plan international dans le domaine de l'hélium. En fait, elle est même antérieure à l'EIT-27. Cependant, il fut difficile d'obtenir un accord international sur une échelle à tension de vapeur de l'hélium.

1958

Le CIPM adopta une table de valeurs de tension de vapeur de 4He en fonction de la température, proposée par le CCT. Cette table était fondée sur les mesures faites avec le thermomètre à gaz lissées par thermométrie magnétique, et, en dessous de 2,2 K, sur des calculs de thermodynamique. Cette table couvrait le domaine de 0,5 K à 5,23 K, et fut connue sous le nom d'échelle 4He 1958, les températures mesurées selon celle-ci étant appelées T58.

1962

Peu après l'adoption de l'échelle 4He 1958, une autre proposition fut faite pour la tension de vapeur de 3He. Elle était fondée sur la comparaison des tensions de vapeur de 3He et de l'échelle 4He 1958 au-dessus de 0,9 K, et sur des calculs de thermodynamique au-dessous de 0,9 K. L'échelle fut approuvée par le CIPM et devint connue sous le nom d'échelle 3He 1962, les températures mesurées selon celle-ci étant dénommées T62.

Les échelles de 3He et de 4He ont ensuite été entièrement révisées, pour les rendre cohérentes avec les résultats des mesures effectuées, après l'adoption des échelles d'origine, avec des thermomètres à gaz, à bruit, acoustique et magnétique.

L'Échelle internationale pratique de température de 1968 (EIPT-68)

1954

La 10e Conférence générale finit par adopter une proposition faite par Kelvin en 1854 : il s'agit de définir l'unité de température thermodynamique en fonction de l'intervalle entre le zéro absolu et un seul point fixe. Le point fixe en question est le point triple de l'eau, dont on fixe la température thermodynamique à 273,16 °K.

Cette proposition avait déjà été faite en 1948, mais à l'époque la valeur fixée au zéro absolu n'avait pas encore fait l'objet d'un accord. La question fut finalement résolue par la Conférence générale de 1954.

1961

En 1961 il fut décidé que le NPL et l'Institut des mesures physico-techniques et radio-techniques (IMPR) de Moscou feraient une comparaison de thermomètres à résistance de platine étalonnés selon les quatre principales échelles du thermomètre à gaz. Il s'agit de celles du NPL (1961), du NBS (1955), de l'IMPR (1954) et de l'université de l'État de Pennsylvanie (1954). Les résultats de la comparaison ont fourni les bases de l'EIPT-68 dans le domaine des basses températures.

L'échelle NBS-55 mérite une attention particulière car elle est un exemple du bon fonctionnement d'une échelle dite à fil. L'échelle NBS-55 est fondée sur la thermométrie à gaz de 1939. Elle fut maintenue, à l'origine, à l'aide d'un groupe de six thermomètres à résistance de platine et connue sous le nom de NBS-39. En 1955, un décalage arbitraire de 10 mK fut appliqué à toute l'échelle, qui prit le nom de NBS-55. Les successeurs des six thermomètres NBS-39 continuent à être utilisés pour maintenir l'EIPT-68 au NBS.

1964

Le CCT définit la fonction de référence W pour l'interpolation entre un certain nombre de points fixes aux basses températures. L'échelle CCT-64 fut publiée sous forme d'une table sous le titre « Table de référence provisoire CCT-64 de W en fonction de T pour les thermomètres à résistance de platine dans le domaine de 12 °K à 273,15 °K ».

1966

Un groupe de travail du CCT proposa une échelle provisoire en 1966, échelle qui prenait en compte d'autres résultats de la thermométrie à gaz au point d'ébullition de l'oxygène et au point triple de l'hydrogène.

1968

Il s'agit de la deuxième révision de l'Échelle de température ; elle apporta une réponse au fait étrange selon lequel les températures thermodynamiques étaient définies de manière entièrement différente des températures pratiques internationales. Dans l'EIPT-68, les unités de température thermodynamique et pratique étaient définies comme identiques et égales à 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. L'unité elle-même était renommée « kelvin » au lieu de « degré Kelvin » avec le symbole « K » au lieu de « °K ».

L'EIPT-68 est divisée en quatre parties :

    (a) entre 13,81 K et 273,15 K ;
    (b) entre 0 °C et 630,74 °C ;
    (c) entre 630,74 °C et 1064,43 °C ; et
    (d) au-dessus de 1064,43 °C. (*)

Dans la partie (a) l'échelle est définie en fonction d'une série de six points fixes à basse température et avec une fonction de référence. Dans la partie (b) l'échelle est définie en fonction de l'ancienne fonction d'interpolation quadratique de Callendar, mais elle est modifiée pour tenir compte des nouvelles valeurs des points fixes du thermomètre à gaz. Dans la partie (c) l'instrument de définition est le thermocouple platine/platine rhodié à 10 %, étalonné à 630,74 °C et aux points de congélation de l'argent et de l'or, et à l'aide d'une fonction d'interpolation quadratique. La partie (d) est définie en fonction de la radiation émise par un corps noir et décrite par l'équation de Planck.


*. Les thermométristes expriment les températures inférieures à 0 °C en kelvins, et les températures supérieures en degrés Celsius.

L'Échelle provisoire de 1976 de 0,5 K à 30 K (EPT-76)

1976

En 1976 le CIPM approuva une nouvelle échelle aux basses températures appelée Échelle provisoire de 1976 de 0,5 K à 30 K, ou EPT-76. Elle avait pour objet de fournir une échelle unique pour les mesures de température dans ce domaine, en attendant la révision et l'extension vers de plus basses températures de l'EIPT-68. Elle était définie en fonction des températures fixées pour onze points fixes entre 0,5 K et 30 K, et de la différence entre T76 et les échelles suivantes : l'EIPT-68 ; les échelles à tension de vapeur de 4He de 1958 et de 3He de 1962 ; l'échelle NPL-75 et la version du NBS de l'EIPT-68 définie par rapport à NBS-55. Au contraire de l'EIPT-68, l'EPT-76 pouvait être réalisée de différentes manières : soit à l'aide de l'une des échelles citées précédemment et des différences données dans le texte de l'EPT-76, ou à l'aide d'un thermomètre à interpolation thermodynamique, comme le thermomètre à gaz ou le thermomètre magnétique, étalonné à un ou plusieurs des points de référence spécifiés dans l'EPT-76.

L'Échelle internationale de température de 1990 (EIT-90)

1990

L'Échelle internationale de température de 1990 (EIT-90) est entrée en vigueur le 1er janvier 1990 et a remplacé l'EIPT-68 et l'EPT-76.

L'EIT-90 diffère de l'EIPT-68 sur plusieurs points importants :

  • elle utilise le point triple de l'eau (273,16 K), au lieu du point de congélation de l'eau, comme point de définition ;

  • elle s'étend à de plus basses températures : 0,65 K au lieu de 13,8 K ;

  • elle s'accorde mieux avec les températures thermodynamiques ;

  • sa continuité et sa précision sont meilleures ;

  • elle comporte un certain nombre de domaines et de sous-domaines de recouvrement ;

  • dans certains domaines, elle donne d'autres définitions, équivalentes pour l'essentiel ;

  • elle inclut les échelles à tension de vapeur de l'hélium ;

  • le thermomètre à interpolation à gaz est l'un des instruments de définition ;

  • le domaine du thermomètre à résistance de platine comme instrument d'interpolation a été étendu de 630 °C au point de l'argent (962 °C) ;

  • le thermocouple platine/platine rhodié à 10 % n'est plus un instrument de définition de l'échelle ;

  • le domaine fondé sur la loi du rayonnement de Planck commence au point de l'argent au lieu du point de l'or, mais il est possible d'utiliser au choix le point de l'argent, de l'or ou du cuivre comme points de référence pour cette partie de l'échelle.

L'échelle provisoire pour les basses températures de 2000

2000

Afin d'étendre l'EIT-90 à des températures jusqu'à 0,9 mK, une échelle provisoire pour les basses températures (EPBT-2000) a été mise au point et approuvée par le CIPM en 2000. La pression de fusion de l'3He a été choisie pour servir de base à l'EPBT-2000 en raison de la précision et de la fiabilité avec laquelle elle peut être mesurée dans un grand domaine de températures s'étalant sur plus de trois décades à l'exception d'une bande étroite avoisinant un minimum de pression à 315.24 mK. Ce minimum de pression est l'un des quatre phénomènes naturels qui peuvent être localisés et utilisés comme points fixes de pression et de température.