Dans un thermomètre de type thermomètre à mercure, on a un tube contenant du mercure, un métal liquide¹. Lorsque la température s’élève, le mercure prend du volume et monte dans le tube. La hauteur du mercure est directement liée à la température et il suffit de graduer le tube pour lire la température.
Généralement, les tubes sont terminés en bas par une petite fiole contenant du mercure. Le volume total de mercure étant plus important avec la fiole, la quantité de mercure qui se dilate est plus importante et cela amplifie l’amplitude de la variation de la hauteur de la colonne dans le tube, rendant la lecture plus facile :

Parfois la fiole est masquée dans la coque, qui sert alors aussi de protection.

Dans les thermomètres mini-maxi, l’on se retrouve avec deux colonnes. L’une d’elles est dans le sens du thermomètre normal décrit ci-dessus, mais l’autre, celle du mini, est inversée : les températures froides sont en haut et chaudes sont en bas. Aussi, si la température refroidit, le mercure remonte dans le tube mini.
On a également dans chaque tube une petite pastille qui flotte (littéralement) sur le mercure : ce sont les index montrant les minis et les maxi atteints.

Lorsque le mercure monte ou descend, les index suivent le mouvement, à ceci près que les index ne peuvent toujours que remonter dans le tube, pas descendre. Dans le tube maxi, le haut signifie la température chaude, et dans le tube mini, le haut signifie la température froide. Les index « mémorisent » donc les extrema de température ; d’où le nom d’un thermomètre mini-maxi.

Enfin, le thermomètre dispose d’un bouton de remise à zéro : enfoncé, les deux index redescendent au contact du mercure, remettant à zéro les lectures mini et maxi.

L’ensemble fonctionne sans pile ni source d’énergie extérieure.

Plusieurs questions se posent :

• comment, dans le tube mini, le mercure peut-il remonter avec un refroidissement ? Il devrait remonter (se dilater) avec la chaleur, pas le froid !
• comment fonctionne le bouton de remise à zéro ?

Ce dispositif très commun contient un peu de science très simple, mais le système reste ingénieux.

Si vous avez lu mon article sur le thermomètre de Galilée, avec les capsules colorées, vous savez que ce n’est pas la densité des capsules qui varie, mais la densité du liquide partout autour qui change avec la température. La leçon à en tirer est que la science se cache dans la partie que l’on a tendance à ignorer : le liquide transparent.
Dans le thermomètre mini-maxi c’est pareil : l’on voit le mercure bouger, mais ce n’est pas sa dilatation qui en est la cause, ni celle qui est intéressante. Sa dilatation est imperceptible ici.
De plus, il n’y a pas deux colonnes comme on pourrait croire, mais une seule. Le bouton de remise à zéro cache aussi des choses !

Voyons tout ça.

Un tube de mercure en « U »

Une des astuces utilisées est la forme du tube du thermomètre : il n’y en a qu’un et en forme de « U ». Les tubes mini et maxi correspondent aux deux barres verticales du U.

Le mercure, lui, ne se trouve que dans le creux du U. Le reste est rempli d’alcool transparent et donc invisible.

Dans ce tube en U, la fiole se trouve non pas en bas, mais en haut de la barre du mini et est pleine d’alcool. Le liquide se dilatant n’est donc pas le mercure, mais l’alcool !

La fiole se trouvant en haut, lors de la dilatation² l’alcool progresse vers le bas au lieu de monter comme dans un thermomètre classique. L’alcool pousse alors le mercure à se déplacer dans le creux du U, et du mini vers le maxi.

Lorsque la température augmente, le mercure descend le tube mini, poussé par l’alcool, et mécaniquement, il remonte du côté « maxi ».

Au final, donc, le mercure ne se dilate pas (ou trop peu), mais est simplement poussé par l’alcool, qui lui se dilate. Inversement, quand la température baisse, il remonte du côté mini et descend du côté maxi, aspiré par la contraction de l’alcool, et suivant donc bien les graduations inversées.

L’ensemble n’est donc qu’un seul et même thermomètre où seul l’alcool se dilate significativement et où le mercure ne constitue qu’une « bouée » qui suit les variations de volume de l’alcool. La forme en U permet de mettre en haut les deux extrémités du volume de mercure, et sur lesquelles l’on a posé les deux pastilles.

Notez que l’alcool est assez fluide pour passer autour des index, qui ne bougent que poussés par le mercure.
Le mercure a une tension de surface assez important pour ne pas mouiller l’index, mais le repousser. Capacité que n’a pas l’alcool.

Et le bouton de remise à zéro ?

Le mercure pousse les index lorsqu’il les atteint, mais les index ne redescendent pas lorsque le mercure se retire. Pour les faire redescendre, on appuie sur le bouton : là, et seulement là, les index redescendent.

Comment ça marche ?

Le bouton repose sur un cadre contenant deux bandes aimantées qui longent les deux tubes. Les index contiennent quant à eux du fer métallique.
Les bandes magnétiques attirent donc les index vers eux, et les plaque contre la paroi du tube.

Le mercure pousse tout juste assez fort pour vaincre le frottement de l’index contre le tube en verre et les faire remonter. Par contre, lorsque le mercure se retire, le poids de l’index lui-même n’est pas suffisant pour le faire redescendre par gravité, et il reste donc plaqué contre la paroi, là où le mercure l’a posé :

Lorsque l’on appuie sur le bouton de remise à zéro, l’on éloigne simplement les aimants des deux tubes. Les index ne sont plus plaqués contre leur tube, et redescendent par gravité… jusqu’à revenir au contact du mercure.

Simplissime, mais il fallait y penser !

Conclusions

À nouveau — et à nouveau pour un thermomètre — la science a lieu ailleurs que là où l’on l’aurait attendu, à savoir dans le liquide (que l’on ne voit pas) entourant le mercure, et non au niveau du mercure lui-même.

Aussi, le bouton de remise à zéro fonctionne, avec des aimants (quoi d’autre ?).

Il s’agit globalement d’une mécanique assez triviale, mais je suis demandé comment ça fonctionnait lorsque je me suis retrouvé avec un tel thermomètre dans les mains.
Maintenant trivial ne signifie pas qu’il n’y a pas de technique derrière : il faut tout de même jauger divers paramètres comme la force des aimants et la quantité de fer dans les index : en contact, l’aimant doit bloquer la descente de l’index sans toutefois bloquer la montée, et quand on appuie sur le bouton, l’aimant ne s’éloigne que de quelques millimètres des deux tubes, mais cela doit être suffisant pour en réduire l’attraction.

Un tel thermomètre peut-être trouvé dans n’importe quel magasin de bricolage pour une quinzaine d’euros. On les trouve naturellement aussi sur Amazon.

Notes

[1] Aujourd’hui, le mercure n’est plus employé en raison de sa toxicité élevée. On préfère utiliser un liquide de type alcool coloré (en bleu ou en rouge typiquement). Pour les thermomètres qui ne descendent pas plus bas que −19 °C (comme les thermomètres médicaux, qui vont généralement de +35 °C à +43 °C) on utilise aussi du galinstan, un alliage métallique liquide de gallium, d’indium et d’étain.
Pour les thermomètres mini-maxi, on a toujours besoin de deux liquides non-miscibles et de densité différentes.

[2] La fiole étant en haut, l’alcool se dilate vers le bas. Lorsque la température baisse, la contraction le fait remonter. Précisons qu’à ces échelles, les forces de cohésion liquide (tension de surface) et de capillarité l’emportent très sensiblement sur les forces de gravité : c’est pour cela que le liquide n’a aucun mal à remonter.

Image d’en-tête : travail personnel.