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Fabriquer un thermomètre de Galilée

Vous devez fabriquer un thermomètre
de Galilée pour votre TPE ? Vous
êtes à la bonne place.
Vous aurez certainement remarqué
qu’à l’heure où ces lignes sont écrites
il n’existe aucun article décrivant la
fabrication d’un thermomètre de
Galilée artisanal. J’ai passé de
nombreux week-end à optimiser la
fabrication de ce thermomètre et je
pourrai rendre l’accés à l’article
payant tellement la demande est forte
mais je ne le fais pas ! Par contre je
vous demande simplement d’indiquer l’adresse de mon site si vous devez exposer votre travail à l’oral ou à l’écrit.

 

Vous avez décidé de fabriquer un thermomètre de Galilée ? Suivez le guide, je vais vous expliquer étape par étape comment le réaliser. Cependant ne vous attendez pas à obtenir un thermomètre comme celui que l’on trouve dans le commerce pour la bonne et simple raison qu’un tel thermomètre nécessite un matériel de très haute précision qui est très couteux. Je vous propose une fabrication artisanale d’un thermomètre de Galilée qui ne demande que très peu de matériel mais qui est néanmoins suffisant pour l’illustration de votre TPE sur le thermomètre de Galilée.
Pour pouvoir fabriquer un tel thermomètre il faut en comprendre le principe : pourquoi les boules montent-elles et descendent-elles ?

Principe du thermomètre de Galilée

Le thermomètre de Galilée que l’on trouve dans le commerce est un objet décoratif  constitué d'une colonne remplie d'un liquide incolore et de plusieurs
boules en verre soufflé, lestées par une petite masse métallique.
Le liquide contenu dans la colonne a une masse volumique qui décroît fortement lorsquela température augmente. Les boules ont chacune le même volume mais possèdent des masses différentes. Un petit médaillon indiquant une température est accroché sous chacune d'elles. Chaque boule possède une masse ajustée de manière précise. Pour un modèle commercial courant, on trouve onze boules indiquant des températures comprises entre 17 °C et 27 °C.
Dans cet appareil, on peut observer que certaines boules sont situées en bas de la colonne et que d'autres flottent en haut. La température de la colonne est indiquée par la boule qui se trouve en équilibre dans le liquide c'est-à-dire par la plus basse des boules situées en haut de la colonne.

Qu’est ce qui se passe dans ce thermomètre ?

Il faut savoir que les boules qui flottent ont une masse et un volume constant quelle que soit la température. C’est à dire que leur masse volumique et donc leur densité est constante quelque soit la température.
Par contre le liquide dans lequel beignent les boules a une masse volumique et donc une densité qui dépend de la température. Lorsque que la température augmente le liquide se dilate, sa masse volumique diminue. Si elle diminue jusqu’à être inférieure à la masse volumique d’une (ou plusieurs) boule(s), cette (ces) boule(s) aura (auront) tendance à descendre. Le phénomène inverse se produit si la température diminue.

En résumé, il nous faut un liquide dans lequel on trempera des objets de masse volumiques différentes.

Le matériel nécessaire pour réaliser le thermomètre est le suivant :

  • thermomètre électronique (pas les thermomètres médicaux à alcool, il faut un minimum de précisions)



  • alcool (pas du whisky hein ! de l’alcool 96% dénaturé est suffisant)
  • eppendorfs de 2ml. (Prendre celui représenté à droite de l’image ci-dessous) A l’époque je les avais commandé chez eppendorf, voici un lien direct.


  • colorant alimentaire (pour colorer les solutions contenues à l’intérieur des eppendorfs) ou eppendorfs de couleurs différentes (si si ça existe, voir sur le lien ci-dessus vers la société eppendorf)
  • éprouvette graduée ou bocal de confiture
  • de l’eau

Réalisation du thermomètre

Il va falloir fabriquer des objets qui ont des masses volumiques différentes. Pour faire varier la masse volumique on peut jouer sur le volume ou sur la masse de l’objet. Vous l’avez compris il est plus facile de faire varier la masse de l’objet plutôt que son volume.

Dans un premier temps remplissez le bocal de confiture ou l’éprouvette graduée avec l’alcool.
NB : si l’alcool que vous allez utiliser sort du réfrigérateur ou a été entreposé dans un réserve il faut le laisser s’équilibrer avec la température de la pièce avant de poursuivre.
Autre chose, si l’alcool s’évapore ce n’est pas bien grâve, la quantité d’alcool dans l’éprouvette ou le bocal n’a aucune importance, il faut juste qu’il y ait suffisemment de profondeur pour distinguer le déplacement des eppendorfs

Placer la sonde de votre thermomètre électronique dans l’alcool. On va dire qu’il affiche une tempérarture de 22°C. Nous allons commencer à ajuster la masse du premier eppendorf pour qu’il flotte au milieu du récipient, entre 2 eaux. Je tiens à vous dire que l’opération est très délicate, vous pouvez facilement passer une bonne demi heure voir plus pour ajuster la masse de votre eppendorf.
NB : vous allez me dire qu’il suffit de regarder dans le handbook la densité de l’EtOH à 22°C et d’utiliser une balance de précision pour lester les eppendorfs. C’est une très bonne idée mais connaissez-vous avec précision le volume de votre eppendorf ? Assurément non ! et c’est le problème, on est donc obligé d’y aller par tatonnement. Autre chose, le volume de chaque eppendorf que vous avez entre les mains a un volume différent même si ce n’est pas visible.

A présent, placez un eppendorf dans l’EtOH, vous remarquez qu’il flotte, il va donc falloir le lester. Il n’y a pas de règle, il faut faire plusieurs essais en ajoutant à l’intérieur de l’eau colorée, du sel… s’il se met à couler retirez un peu d’eau, etc. Une fois que vous avez reussit à le faire flotter notez la température indiquée par le thermomètre électronique et la couleur de l’eau contenue à l’intérieur de l’eppendorf (couleur obtenue grâce au colorant alimentaire).

Si vous avez accés à une balance de précision (j’ai de la chance puisque j’en ait une chez moi lol) votre tâche sera facilitée pour la réalisation d’autres eppendorfs. Sinon je vous conseille de vous arréter là. En effet, pour la réalisation d’autres eppendorfs il faut changer la température, par exemple passer de 22°C à 25°C ou 19°C. On peut facilement atteindre la température désirée en chauffant ou en refroidissant l’EtOH. Cependant, au bout d’un certain temps la température va passer de 19°C à 22°C (température de la pièce) ou de 25°C à 22°C, ce qui faussera vos mesures. Pour continuer sans balance de précision il est préférable de pouvoir modifier la température et de la maintenir stable.

Si vous avez accés à une balance de précision voilà comment vous devez vous y prendre. Sortez du bain d’EtOH l’eppendorf que vous avez lesté (manippulez le avec précaution, ne l’ouvrez surtout pas), laissez l’EtOh s’évaporer (assurez-vous que l’EtOH se soit bien évaporé) puis pesez le. Notez sa masse. Remettez l’eppendorf en sécurité dans son bain d’EtOH. Prenez un eppendorf vide et lestez le jusqu’à obtenir une masse à 1mg près que celle que vous avez notée. Plongez l’eppendorf lesté dans l’EtOH et observez le. Est ce qu’il coule ou est ce qu’il flotte ? S’il coule placez l’ensemble du système au réfrigérateur et revenez une fois que l’eppendorf flotte à la surface. A présent sortez le récipient du réfrigérateur et laissez le se réchauffer, agitez précautionneusement de temps en temps le récipient pour homogénéifier la température. Il arrivera un moment, où l’eppendorf commencera à couler jusqu’à se trouver au milieu du récipient entre 2 eaux. Notez la température renvoyée par le thermomètre électronique ainsi que la couleur de l’eau à l’intérieur de l’eppendorf. Si par contre l’eppendorf flotte, vous devez réchauffez l’EtOH sur une plaque chauffante (allez y doucement), une fois que l’eppendorf a touché le fond laissez l’EtOH revenir doucement à température ambiante. Il arrivera un moment, où l’eppendorf commencera à remonter jusqu’à se trouver au milieu du récipient entre 2 eaux. Notez la température renvoyée par le thermomètre électronique ainsi que la couleur de l’eau à l’intérieur de l’eppendorf. Vous pouvez continuer cette opération et multipliez les eppendorfs.

Justification du choix du liquide de la colone

Le premier liquide qui nous vient à l’esprit lorsqu’on veut remplir la colonne est l’eau. Les premiers essais que j’ai réalisé ont été fait avec l’eau. J’ai réussit à fabriquer qulques boules mais après quelques heures un drame s’est produit : des bulles d’airs ont commencées à se former sur les paroies des eppendorfs. Les conséquences sont dramatiques puisque diminue considérablement la masse volumique des eppendorfs. Cela à pour conséquence un dérèglement du thermomètre. La formation des bulles d’air est due au fait que l’oxygène de l’air se dissout dans l’eau et au contact des aspéritées de l’eppendorf il passe à l’état gazeux. Il fallait donc trouver un liquide qui ne dissout pas l’oxygène, j’ai donc pensé à l’éthanol.

 les thermomètres de Galilée commerciaux sont fait avec de l’huile minérale. Il serait intéressant de réaliser ce thermomètre artisanal avec de l’huile en lieu et place de l’éthanol. Cependant je ne l’ai pas encore fait pour des raisons pratiques. En effet, des ajustements successifs de la masse de l’eppendorf sont nécessaires, ce qui signifie qu’il faut sortir plusieurs fois l’eppendorf de son bain d’huile pour ajuster sa masse. On se retrouve avec un eppendorf gras, de l’huile plein les mains et en plus un risque de voir l’huile s’inflitrer au niveau du bouchon de fermeture. Par contre avec l’éthanol le problème ne se pose pas puisque que celui-ci s’évapore très rapidement.

Voilà, j’espère vous avoir aidé dans votre travail. Si vous avez des questions il y a la rubrique contact.

Si vous avez obtenu une bonne note (ou même une mauvaise lol) venez signer mon livre d’or ça me ferait plaisir.

Bon courage !

 

 

 

 


A ne pas rater!