1. Les « thermomètres » de l’Antiquité

La chaleur dans la science grecque antique
Tout corps chaud ou froid était censé contenir de la chaleur ou du froid.
Pour Aristote, le chaud et le froid constituent, avec le sec et l’humide, les quatre qualités fondamentales sous l’influence desquelles la matière première du monde a formé les quatre éléments : l’air, le feu, la terre et l’eau.
Straton de Lampsaque, célèbre pour avoir introduit l’expérimentation dans le développement de la physique d’Aristote, fit quelques expériences qui eurent pour objet l’air et le vide: sous l’influence des idées de Démocrite, il admettait l’existence du vide entre les plus petites particules de la matière, appelées les atomes (étymologiquement, les «insécables»), et il expliquait de cette façon les phénomènes de dilatation ou de contraction que la chaleur ou le froid produisent dans les corps.

Le thermoscope de Philon de Byzance

Le premier appareil construit fut inventé, vers 250 avant notre ère, par un ingénieur alexandrin, Philon de Byzance . Il comprend un ballon de plomb, vide et muni d’un bouchon étanche; une des branches d’un tube de verre, en forme d’U renversé, traverse le bouchon, tandis que son autre branche descend au fond d’un vase plein d’eau. Lorsque l’appareil est exposé au soleil, l’air qui se dilate dans le ballon de plomb provoque l’émission de bulles dans l’eau du vase. Puis, si l’on place l’appareil à l’ombre, l’air se refroidit dans le ballon, et l’eau du vase monte dans le tube de verre pour s’écouler ensuite dans le ballon. Lors d’un nouvel échauffement, l’air dilaté refoule cette eau dans le vase. Philon décrit cet appareil dans un ouvrage intitulé Pneumatika ; il déduit de son fonctionnement que le feu est étroitement associé à l’air et que même il l’attire. La conclusion révèle la nature de l’explication des phénomènes thermiques propre aux physiciens hellènes.

Le thermoscope de Héron d’Alexandrie

Un autre appareil thermoscopique fut conçu, vers 100 avant notre ère, par l’ingénieur Héron d’Alexandrie.
Mais, étant donné la structure sociale du monde hellénistique, les savants de l’époque ne furent pas incités à progresser dans la voie de la recherche expérimentale tracée par Straton, et les ingénieurs qui appliquèrent les inventions de Héron se bornèrent à équiper les temples en dispositifs permettant de faire croire aux miracles, ou même se contentèrent de construire pour la classe dirigeante ce qu’on appellera par la suite des jouets de salon.

2. Les premiers thermomètres

L’invention du thermomètre
Des conditions favorables à la reprise du développement de la physique expérimentale vont apparaître en Europe occidentale à la Renaissance.
Les Pneumatiques de Héron, dont le texte grec, conservé dans quelques bibliothèques, n’avait intéressé personne pendant près de quinze siècles, trouvèrent des lecteurs en Italie à la fin du XVI^e siècle, après la publication d’une traduction latine à Urbino, en 1575, et de plusieurs éditions en italien, dont la première parut à Ferrare en 1589.

Le médecin Santorio Santorio (1561-1636), professeur de médecine théorique à Padoue, qui désirait suivre l’évolution de la fièvre chez ses malades, eut, le premier, l’idée de transformer l’appareil de Héron d’Alexandrie de manière à pouvoir mesurer le degré de chaleur. L’instrument qu’il conçut est un thermomètre à air, constitué par une petite boule de verre, surmontant un tube ouvert, long et étroit, qui plonge dans un vase plein d’eau. Lorsque le changement de température de l’air qui surmonte l’eau en fait varier le volume, celle-ci se déplace dans le tube, en colonne. Le malade introduisait la petite boule de verre dans sa bouche ou la tenait dans le creux de la main, puis Santorio notait le déplacement de la colonne d’eau. Ce dernier signala son instrument dans une publication de 1612 et le décrivit en 1630. Entre-temps, il l’avait doté d’une graduation décimale qui comprenait deux repères, les premiers points fixes considérés, obtenus l’un en refroidissant la petite boule par de la neige, l’autre en la chauffant à la flamme d’une bougie. Comme on prête volontiers aux riches, plusieurs biographes de Galilée lui ont gratuitement attribué l’invention de Santorio, de trois ans son aîné La réalisation de Santorio marquait le premier aboutissement d’une idée répandue de façon encore confuse dans les milieux cultivés d’Europe occidentale, savoir l’introduction de la mesure dans l’étude du chaud et du froid. L’instrument construit en Italie est représenté dans la Récréation mathématique, publiée, en 1624, par le jésuite lorrain Jean Leurechon (1593-1670), qui, le premier, les appela « thermomètre, ou instrument pour mesurer les degrez de chaleur ou de froidure qui sont en l’air ».

D’autres thermomètres
Les indications des premiers thermomètres dépendaient des variations de la pression atmosphérique, dont le physicien italien Evangelista Torricelli donna, en 1644, une interprétation correcte. Le grand-duc de Toscane, Ferdinand II de Médicis (1610-1670), que la physique intéressait plus que la politique, entreprit de perfectionner l’instrument de Santorio, de manière à réduire cette dépendance. Secondé par un habile émailleur, du nom de Mariani, il eut tout d’abord l’idée de placer dans un tube plein d’esprit-de-vin des billes de verres creuses, de densité apparente voisine; étant donné que la température déterminait les conditions de flottaison des billes, la position de celles-ci indiquait les variations de la température. Torricelli fit voir de tels tubes en novembre 1646 au voyageur lyonnais Balthazar de Monconys (1611-1665), de passage à Florence.
C’est en 1654 que le grand-duc fit fabriquer le premier thermomètre véritable, à alcool, constitué par un tube de verre fermé à une extrémité et terminé à l’autre par un réservoir en forme de boule. Le thermomètre florentin était d’ordinaire divisé en 50 degrés; certains modèles l’étaient en 100 ou en 300 degrés; chaque degré était marqué sur le tube par un point d’émail, blanc pour les dizaines, noir pour les autres. Le thermomètre, divisé en 50 degrés, ne dépassait pas 40 degrés l’été à Florence; l’hiver, il y descendait parfois jusqu’à 7; dans la glace fondante, il marquait 13,5 degrés. On ignore les bases de la graduation utilisée par Mariani, dont l’habileté était telle que tous les thermomètres divisés en 50 degrés qu’il fabriquait donnaient les mêmes indications.
Le thermomètre de Florence permit aux membres de l’Accademia del cimento (Académie de l’expérience), fondée en 1657 par le grand-duc, de faire de nombreuses observations durant les dix années d’existence de cette célèbre institution. Ils expérimentèrent aussi le mercure comme liquide thermométrique, mais, trouvant l’esprit-de-vin plus commode en raison de sa dilatabilité plus élevée, ils le conservèrent.
Le thermomètre de Florence fut assez rapidement connu à l’étranger, mais par quelques exemplaires seulement. L’astronome Ismaël Boulliau (1605-1691) l’avait installé rue des Poitevins, dans l’hôtel de Thou. Un voyageur anglais en rapporta un à Londres en 1661 à son retour d’Italie.

3. Naissances des différentes échelles thermométriques
Quelques évolutions
Le thermomètre de Florence avait révélé aux physiciens la faculté de mesurer la température en repérant la variation du volume d’un fluide emprisonné dans une enceinte de verre. Les premiers thermomètres étaient surtout destinés à des mesures météorologiques. Le souci d’utiliser un instrument qui ne fût pas trop encombrant conduisit à prendre pour fluide thermométrique un liquide se dilatant de manière sensible. Certains conservèrent l’esprit-de-vin, d’autres adoptèrent le mercure, Newton proposa en 1701 l’huile de lin.
Quelques physiciens utilisèrent un thermomètre à air. Guillaume Amontons (1663-1705) fit fabriquer un instrument qui lui permit de constater en 1699 que « l’eau commune bouillante ne peut acquérir un plus grand degré de chaleur, quelque long temps qu’elle soit sur le feu, et quelque grand que soit ce feu ».
Les thermomètres à esprit-de-vin ou à mercure construits après le thermomètre de Florence étaient logés dans une planchette ou dans une plaque de métal, sur laquelle était portée la graduation en degrés. De très nombreux types de graduation furent en usage jusqu’au milieu du XVIII^e siècle.
En 1665, le physicien anglais Robert Hooke (1635-1703) fit construire un thermomètre à esprit-de-vin, dans lequel le zéro était placé au point de congélation de l’eau distillée et les degrés correspondaient à des millièmes du volume initial. La graduation de Hooke ne fut pas suivie par les constructeurs contemporains, qui préférèrent recourir à deux points fixes.
Le napolitain Sebastiano Bartolo est le premier à proposer l’utilisation de la neige et de l’eau bouillante.
Le constructeur Joachim d’Alencé, dans un traité paru à Amsterdam en 1688, proposa deux paires de points fixes, soit le point de congélation de l’eau et le point de fusion du beurre, soit la température d’un mélange de glace et de sel et celle d’une cave profonde, dont les mesures avaient révélé la constance.
D’autres repères furent utilisés. Chaque constructeur déterminait lui-même la graduation: celle-ci portait à la fois sur le nombre de divisions entre les deux points fixes considérés ou sur la valeur de la partie aliquote du volume initial, dans le cas d’un seul point fixe retenu, ainsi que sur le sens des degrés croissants, qui dans certaines échelles indiquait l’échauffement, dans d’autres le refroidissement.
Parmi les thermomètres inventés au XVIII^e siècle, deux étaient appelés à connaître une grande diffusion: le thermomètre Réaumur et surtout le thermomètre Fahrenheit.

Le thermomètre Fahrenheit
L’astronome danois Ole Roemer (1644-1710) construisit, en 1702, un thermomètre à esprit-de-vin : il marqua la division 60 dans l’eau bouillante et la division 8 dans la neige ou la glace pilée, puis les graduations allaient de 8 à 59. L’hiver à Copenhague, le froid ne descendait jamais au-dessous du zéro correspondant. Les thermomètres usuels, il les étalonnait à l’aide du précédent, en les plongeant dans de la neige ou dans de la glace pilée, puis dans de l’eau chaude ayant une température de 22,5 degrés correspondant à sa graduation (température du corps humain).
Roemer reçut la visite, en 1708, d’un jeune homme : Fahrenheit. Il lui montra sa méthode d’étalonnage des thermomètres usuels, qui en retint l’utilisation systématique du point de fusion de la glace et de la température du sang comme points fixes. Le point de fusion de la glace fut dès lors marqué 32 degrés, et la température normale du corps humain 90 ; estimant peu commode que ce nombre ne fût pas un multiple du premier, il le remplaça assez tôt par 96 (la température normale de l’homme est en réalité 98,6°F, soit 37°C). Fahrenheit n’utilisa jamais le point d’ébullition de l’eau comme point fixe ; en 1724, il indiqua que dans son échelle définitive ce point se situait à 212 degrés. Après sa mort, les thermomètres Fahrenheit à mercure furent fidèlement reproduits par Hendrik Prins, puis par d’autres fabricants, qui normalisèrent les points fixes de l’échelle à 32 degrés pour la fusion de la glace et à 212 pour l’ébullition de l’eau. Le thermomètre Fahrenheit à mercure s’était rapidement répandu aux Pays-Bas, en Angleterre et en Allemagne.

Le thermomètre Réaumur
En France, les thermomètres utilisés au XVII^e siècle étaient à esprit-de-vin, et durent attendre jusqu’à 1730 pour être bien définis. Ce fut à cette date que Réaumur communiqua à l’Académie royale des sciences ses Règles pour construire des Thermomètres dont les degrés soient comparables, et qui donnent une idée d’un Chaud ou d’un Froid qui puissent être rapportés à des mesures connues : il sait l’intérêt qu’offrent des thermomètres aux indications comparables. Mais une erreur d’interprétation des écrits de Réaumur fit croire vers 1750 qu’il avait voulu fixer la température d’ébullition de l’eau à 80 degrés.
Les premiers thermomètres construits par Réaumur avaient des dimensions énormes : boule de trois à quatre pouces (81 à 108 mm) de diamètre, tube de quatre à cinq pieds (1,30 à 1,62 m) de hauteur et de trois à quatre lignes (6,8 à 9 mm) de diamètre intérieur. L’abbé Nollet (1700-1770), assistant de Réaumur, en fabriqua de plus petits, dont la hauteur n’excédait pas un pied (32,57 cm). Afin de déterminer le point fixe avec plus de précision, Réaumur avait adopté, vers 1732, le point de fusion de la glace.
Durant le siècle qui a suivi l’invention du thermomètre, une soixantaine de graduations différentes avaient vu le jour. La normalisation n’était pas encore achevée à la fin de l’Ancien Régime et allait se réaliser en Europe continentale suivant une graduation centésimale.

La division centésimale
Vers le milieu du XVIII^e siècle deux types de thermomètres à mercure ont reçu une division centésimale entre le point de fusion de la glace et la température d’ébullition de l’eau.
Le physicien suédois Anders Celsius fit construire en 1741 un thermomètre à mercure, qui marquait 0 degré au point d’ébullition et 100 au point de congélation de l’eau et qui fut utilisé de 1742 à 1750 à l’observatoire d’Upsal. À la même époque, le secrétaire perpétuel de l’Académie des beaux-arts de Lyon, Jean-Pierre Christin (1683-1755), faisait construire par l’artisan lyonnais Pierre Casati un thermomètre à mercure à échelle centésimale ascendante, qu’il présenta le 19 mars 1743 à l’assemblée publique de cette Académie.
Le thermomètre suédois et le thermomètre de Lyon n’auraient eu qu’une utilisation restreinte si la Révolution française n’avait donné au monde moderne le système métrique, et si la Commission des poids et mesures, créée par la Convention, n’avait décidé en 1794 que « le degré thermométrique sera la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l’eau bouillante ».
En octobre 1948, à la suite d’une décision de la IX^e Conférence des poids et mesures, le degré centésimal a pris le nom de degré Celsius, après une nouvelle adaptation des points fixes primaires d’étalonnage.

4. Epilogue : échelle absolue
De nos jours, seuls les degrés Celsius sont autorisés .... mais les Anglo-Saxons continuent d'utiliser le degré Fahrenheit ! Leur notation est q afin de ne confondre avec t, le temps ou la durée.
Comment faire la transformation entre les deux unités ?   Vous parlez anglais ?
Pour que la mesure devienne indépendante de repères thermométriques tels que la température d'ébullition ou de congélation de l'eau, W.Thomson inventa la notion de température absolue issue de la théorie et notée T avec comme unité le Kelvin : K . La théorie admet qu'à 0 K la matière est totalement figée ( même les électrons seraient immobiles dans l'atome ) ; les physiciens préfèrent utiliser cette échelle «absolue», dont les unités sont identiques aux degrés Celsius, mais dont l’origine est décalée vers le bas de 273,15 unités. Le zéro de cette échelle représente l’origine absolue des températures. Aucune température inférieure n’est envisageable, elle-même ne pourra jamais qu’être approchée de plus en plus, mais jamais atteinte.
La relation de transformation est : T (K) = 273,15 + q ( °C )

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