Physique–Chimie — 2nde Bac Pro — Année 2025–2026

Chapitre 10 — Température et capteurs thermiques

Thermique • Capteurs • Régulation

Dernière mise à jour : 31 juillet 2026, 02:52

Objectifs du chapitre

Connaître les deux échelles de température (Celsius et Kelvin) et savoir convertir.
Identifier les principaux types de thermomètres : à résistance (CTN, Pt100), thermocouple, infrarouge, cristaux liquides.
Lire et exploiter la caractéristique R(T) d’une CTN à partir d’une courbe ou d’une table.
Associer un capteur à une application industrielle (chauffage, séchage, protection des machines).

Situation professionnelle — Régulation d'un ballon d'eau chaude

Un technicien chauffagiste règle la régulation d'un ballon d'eau chaude sanitaire : la température de l'eau doit rester entre 55 °C et 60 °C (confort, économie d'énergie et prévention des légionelles). Il utilise un capteur CTN pour mesurer et réguler la température en continu.

1. La température

Définition
La température est une grandeur physique qui traduit l’agitation thermique des particules (atomes, molécules) constituant la matière. Plus les particules s’agitent rapidement, plus la température est élevée.

Les deux échelles de température

Deux échelles coexistent en sciences et dans l’industrie :

L’échelle Celsius (°C) : utilisée dans la vie courante et dans la plupart des applications industrielles.
L’échelle Kelvin (K) : échelle absolue utilisée en sciences. Elle débute au zéro absolu.

\( T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273 \) \(T\) en Kelvin — \(\theta\) en degrés Celsius

Attention
Le zéro absolu (0 K = −273 °C) est la température la plus basse possible : toute agitation thermique y cesse. On ne peut pas atteindre de température négative en Kelvin.

Ordres de grandeur des températures

Situation	T (°C)	T (K)	Domaine
Zéro absolu	−273	0	Sciences
Azote liquide	−196	77	Industrie / cryogénie
Congélateur alimentaire	−20	253	Quotidien
Glace fondante	0	273	Référence
Atelier confortable	20	293	Quotidien
Température du corps humain	37	310	Biologie
Eau bouillante (P = 1 atm)	100	373	Référence
Ballon d’eau chaude sanitaire	55	328	Chauffage / plomberie
Colle thermofusible	∼180	453	Atelier (bois, emballage)
Aluminium en fusion	660	933	Métallurgie
Acier en fusion	1 500	1 773	Métallurgie
Surface du Soleil	5 500	5 773	Astrophysique
Centre du Soleil	∼15 × 10⁶	∼15 × 10⁶	Astrophysique

Application

Convertir les températures suivantes :

Un four de séchage réglé à 85 °C — quelle est cette température en Kelvin ?
La température de sublimation de la glace carbonique est 194 K — combien est-ce en °C ?
Combien vaut une différence de 40 °C exprimée en Kelvin ?

\(T = 85 + 273 = \mathbf{358\,\text{K}}\)
\(\theta = 194 - 273 = \mathbf{-79\,\text{°C}}\)
Une différence de température est identique en °C et en K : \(\Delta T = \mathbf{40\,\text{K}}\). (Car \(\Delta T(\text{K}) = \Delta T(\text{°C})\).)

2. Mesure de la température

Plusieurs instruments permettent de mesurer la température selon la précision et la plage souhaitées.

Thermomètre à mercure

Basé sur la dilatation du mercure. Simple et historiquement répandu, mais son usage est aujourd’hui interdit en Europe pour des raisons environnementales (mercure toxique). Il reste un repère historique pour comprendre le principe de mesure par dilatation.

Thermomètre électronique à sonde de résistance

Utilise une sonde dont la résistance électrique varie avec la température. Affichage numérique. Précision courante : ±0,1 °C. Facilement relié à un système d’acquisition ou un microcontrôleur. C’est le principe des thermistances (CTN) et de la sonde Pt100.

Thermomètre à infrarouge (sans contact)

Mesure le rayonnement infrarouge émis naturellement par tout corps chaud, sans contact physique. Très utile pour mesurer la température d’une surface en mouvement (lame en rotation), d’un radiateur, d’une canalisation en hauteur ou d’un tableau électrique, sans les toucher. Précision : ±1 à 2 °C selon le modèle.

Thermomètre à cristaux liquides

Utilise des cristaux liquides thermochromes qui changent de couleur selon la température. Usage simple et visuel (bandelettes, étiquettes). Précision limitée (±1 °C), mais pratique pour une lecture rapide sans électronique (contrôle de la température de la pièce, piscines, aquariums).

Exemples en atelier

Régulation du chauffage d’un logement : le thermostat compare la température ambiante à la consigne (19–21 °C) et commande la mise en marche de la chaudière ou de la pompe à chaleur.
Surveillance de la colle thermofusible : la colle doit être maintenue à une température précise pour conserver la bonne viscosité d’application.

3. Les capteurs de température

Un capteur de température convertit une température en une grandeur mesurable, le plus souvent électrique (tension ou résistance). Il en existe plusieurs types, adaptés à différents besoins industriels. Avant de les passer en revue, il faut savoir décrire ce qu’un capteur reçoit et ce qu’il délivre.

Définition — Grandeur d’entrée et grandeur de sortie
Tout capteur transforme une grandeur en une autre. La grandeur d’entrée est celle que l’on veut mesurer ; la grandeur de sortie est ce que le capteur délivre en réponse — le plus souvent un signal électrique (tension ou résistance), parfois un indice visuel comme une couleur. Chacune s’exprime avec son unité.

Pour tous les capteurs de ce chapitre, la grandeur d’entrée est la température (en °C ou en K). C’est la grandeur de sortie qui change d’un capteur à l’autre :

Capteur	Grandeur d’entrée	Grandeur de sortie	Unité de sortie	Appareil de lecture
Thermocouple	Température	Tension	millivolt (mV)	Voltmètre
CTN	Température	Résistance	ohm (Ω) ou kΩ	Ohmmètre
Pt100	Température	Résistance	ohm (Ω)	Ohmmètre
CTP	Température	Résistance	ohm (Ω)	Ohmmètre
Cristaux liquides	Température	Couleur	aucune (repère coloré)	Lecture à l’œil

La dernière ligne le montre : la sortie n’est pas toujours électrique. Le thermomètre à cristaux liquides se lit directement à l’œil, sans aucun appareil de mesure.

Attention
Ne pas confondre les deux : on ne « mesure pas des ohms » dans une gaine, on mesure une température — les ohms ne sont que le signal qui la traduit. C’est la courbe (ou la table) du capteur qui permet de passer de la sortie à l’entrée.

Exemple — Deux capteurs dans la même gaine de soufflage
Dans une gaine de ventilation, l’air soufflé est à 45 °C. Deux capteurs y sont installés, chacun relié à son appareil de mesure :

sur la sonde Pt100, l’ohmmètre affiche 117,3 Ω ;
sur le thermocouple, le voltmètre affiche environ 1 mV.

Grandeur d’entrée : la même pour les deux capteurs — la température de l’air, \(\theta = 45\ \text{°C}\).
Grandeurs de sortie : une résistance \(R = 117{,}3\ \Omega\) (en ohms) pour la sonde, une tension \(U \approx 1\ \text{mV}\) (en millivolts) pour le thermocouple.
Le régulateur ne reçoit jamais « 45 °C » : il reçoit 117,3 Ω ou 1 mV.

Thermocouple

→ tension

CTN

→ résistance

Pt100

→ résistance (platine)

Infrarouge

→ rayonnement IR

Cristaux liquides

→ couleur

3.1 Le thermocouple

Principe
Un thermocouple est formé de deux fils de métaux différents soudés à une extrémité. La différence de température entre la jonction chaude et la jonction froide génère une tension électrique (effet Seebeck).

Plage de mesure : très large, de −200 °C à +1 000 °C selon le type (K, J, T…).
Réponse : très rapide.
Inconvénient : signal faible (quelques millivolts), nécessite un amplificateur et une compensation de jonction froide.

Thermocouple type K — tension (mV) vs ΔT

ΔT = T_{jonction chaude} − T_{jonction froide}. Signal très faible (quelques mV) — nécessite un amplificateur dédié.

Application — Thermocouple d'un four de fusion

Un fondeur surveille un four d'aluminium avec un thermocouple de type K de sensibilité \( 0{,}041\ \text{mV/°C} \). La jonction chaude est plongée dans le bain à 680 °C ; la jonction froide (raccordement) est à 20 °C. Quelle tension délivre le thermocouple ?

Le thermocouple ne mesure que l'écart de température entre ses deux jonctions :

\( \Delta T = 680 - 20 = 660\ \text{°C} \).

La tension est proportionnelle à cet écart :

\( U = 0{,}041 \times 660 = \mathbf{27{,}1\ \text{mV}} \) (soit environ 27 mV).

3.2 La thermistance CTN (Coefficient de Température Négatif)

Principe
La résistance d’une CTN diminue lorsque la température augmente. C’est un composant à base de semi-conducteur. La relation R(T) est non linéaire : on l’exploite grâce à une courbe ou une table de correspondance fournie par le fabricant.

Plage : −50 °C à +150 °C.
Avantage : très sensible dans la plage 0–100 °C, peu coûteux.
Usage en atelier : mesure et régulation de température dans les étuves de séchage, thermostat d’atelier.

3.3 La thermosonde Pt100

Principe
La sonde Pt100 est une résistance en platine (Pt) dont la valeur augmente régulièrement avec la température. Sa valeur de référence est 100 Ω à 0 °C (d’où son nom). La relation R(T) est quasi linéaire, ce qui la rend très précise.

Plage : −200 °C à +850 °C.
Avantage : très précise (±0,1 °C), stable dans le temps, utilisée comme référence industrielle.
Usage : fours industriels, régulateurs de température, équipements de laboratoire.

Application — Lecture d'une sonde Pt100

Pour une Pt100, la résistance suit la relation quasi linéaire \( R = 100 + 0{,}385\,\theta \), avec \(R\) en ohms et \(\theta\) en °C.

Quelle résistance affiche la sonde dans un four de séchage réglé à 120 °C ?
Un régulateur de laboratoire mesure 138,5 Ω sur la sonde. Quelle est la température ?

\( R = 100 + 0{,}385 \times 120 = 100 + 46{,}2 = \mathbf{146{,}2\ \Omega} \).
On isole \(\theta\) : \( \theta = \dfrac{R - 100}{0{,}385} = \dfrac{138{,}5 - 100}{0{,}385} = \dfrac{38{,}5}{0{,}385} = \mathbf{100\ \text{°C}} \).

CTN (résistance décroissante) Pt100 (résistance croissante, axe de droite en Ω)

3.4 La thermistance CTP (Coefficient de Température Positif)

Principe
La résistance d’une CTP augmente très fortement lorsque la température dépasse un seuil critique. Ce comportement est utilisé comme fusible thermique autoprotecteur.

Application : protection des moteurs électriques contre les échauffements excessifs (pompes de circulation, ventilateurs de VMC, toupies, défonceuses).
Limitation : pas adaptée à une mesure fine de température.

CTP — résistance (kΩ) vs température

Au-delà du seuil (~120 °C ici), la résistance explose : le circuit se coupe automatiquement. Protection des moteurs (pompes, ventilateurs, machines d’atelier).

3.5 Le capteur à semi-conducteur (ex. LM35)

Propriété
Ce type de capteur fournit une tension de sortie directement proportionnelle à la température en degrés Celsius. Pour le LM35 : \(V_{\text{out}} = 10\,\text{mV/°C} \times \theta\).

Avantage : sortie linéaire, simple à interfacer avec un microcontrôleur (Arduino, Raspberry Pi…).
Plage : −55 °C à +150 °C.
Usage : affichage de température d’atelier, contrôle numérique de machines-outils.

Application — Capteur LM35 sur une machine-outil

Un LM35 fournit une tension \( V_{\text{out}} = 10\ \text{mV/°C} \times \theta \).

L'atelier est à 22 °C. Quelle tension de sortie mesure-t-on ?
Le microcontrôleur relève 0,45 V sur le carter d'un moteur. Quelle est sa température ?

\( V_{\text{out}} = 10 \times 22 = 220\ \text{mV} = \mathbf{0{,}22\ \text{V}} \).
0,45 V = 450 mV, donc \( \theta = \dfrac{450}{10} = \mathbf{45\ \text{°C}} \).

Application

Pour chaque application, indiquer quel capteur est le plus adapté parmi : thermocouple, CTN, Pt100, CTP, infrarouge. Justifier brièvement.

Mesurer la température d’un four à céramique atteignant 900 °C.
Protéger le moteur d’une toupie contre les surchauffes.
Contrôler avec précision la température d’un régulateur industriel (étuve de labo).
Mesurer la température d’une lame de scie à ruban en rotation, sans la toucher.

Thermocouple : contact direct dans le bain, plage jusqu’à +1 000 °C et réponse rapide. Le thermomètre infrarouge conviendrait aussi pour la plage, mais il ne mesure que la surface et dépend de l’émissivité du matériau.
CTP : dès que la température dépasse un seuil, la résistance monte en flèche et coupe le circuit → protection automatique du moteur.
Pt100 : relation quasi linéaire, très précise, référence pour les régulateurs industriels.
Thermomètre infrarouge : mesure sans contact, idéal pour une pièce en mouvement inaccessible physiquement.

4. Caractéristique R(T) d’une CTN

La courbe ci-dessous représente l’évolution de la résistance d’une CTN typique en fonction de la température. La résistance décroît fortement et de manière non linéaire : de près de 33 kΩ à 0 °C à environ 1,2 kΩ à 80 °C.

Méthode — Utiliser la courbe R(T)

Mesurer la résistance de la CTN avec un ohmètre (circuit hors tension).
Reporter la valeur mesurée sur l’axe des ordonnées du graphe R(T).
Lire en face la température correspondante sur l’axe des abscisses.
En pratique, le fabricant fournit une table de correspondance R → T plus précise que le graphe.

Application

On dispose d'une CTN dont la résistance à différentes températures est donnée dans le tableau ci-dessous :

T (°C)	0	20	40	60	80
R (kΩ)	32,7	12,2	5,2	2,4	1,2

Un ohmètre mesure 5,2 kΩ sur la CTN. Quelle est la température de la sonde ?
La résistance augmente ou diminue quand la température monte ? Quel type de thermistance est-ce ?
On mesure 2,4 kΩ dans l'étuve. Faut-il augmenter ou réduire la température pour atteindre la consigne de 40 °C ?

R = 5,2 kΩ correspond à T = 40 °C d'après le tableau.
La résistance diminue quand T augmente → c'est une CTN (Coefficient de Température Négatif).
R = 2,4 kΩ correspond à 60 °C. L'étuve est trop chaude ; il faut réduire la température pour revenir à la consigne de 40 °C.

5. Applications industrielles

5.1 Étuves de séchage du bois

Le bois fraîchement coupé contient jusqu’à 50 % d’eau. Le séchage en étuve permet de réduire ce taux d’humidité à 8–12 % pour un usage intérieur. Une CTN reliée à un régulateur maintient la température à la valeur consigne (typiquement 70–85 °C).

5.2 Contrôle de la colle thermofusible

Les pistolets à colle thermofusible (hot glue gun) utilisent une résistance chauffante régulée par thermistance. Si la température dépasse le seuil admissible (∼200 °C), une CTP coupe l’alimentation de la résistance chauffante automatiquement.

5.3 Détection d’échauffement des paliers de machines

Les roulements et paliers des machines (pompes, ventilateurs, toupies, scies à ruban) s’usent et s’échauffent anormalement en cas de défaut. Un thermocouple fixé sur le palier détecte toute montée anormale de température et déclenche une alarme ou l’arrêt de la machine.

6. Tableau de synthèse des capteurs

Type	Principe	Plage (°C)	Avantages	Inconvénients
Thermocouple	Tension entre deux métaux différents	−200 à +1 000	Grande plage, robuste, rapide	Signal faible (mV), nécessite amplificateur
CTN	Résistance décroît quand T augmente	−50 à +150	Très sensible, peu coûteux	Relation non linéaire
Pt100	Résistance platine croît linéairement avec T	−200 à +850	Très précise, stable, linéaire	Plus coûteuse, fragile aux chocs
CTP	Résistance explose au-delà d’un seuil	Seuil fixé	Autoprotection automatique, simple	Pas de mesure fine de T
Semi-conducteur (LM35)	Tension de sortie proportionnelle à T	−55 à +150	Sortie linéaire (10 mV/°C), facile à interfacer	Plage limitée, alimentation nécessaire
Infrarouge	Mesure le rayonnement IR émis par le corps	−50 à +1 000	Sans contact, rapide, à distance	Sensible à l’émissivité de la surface
Cristaux liquides	Changement de couleur selon T	0 à +50 (selon modèle)	Visuel, sans alimentation	Peu précis, plage très limitée

7. À retenir

6 points clés

La température mesure l’agitation thermique des particules de la matière.
Conversion : \(T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273\). Le zéro absolu est 0 K = −273 °C.
Une CTN voit sa résistance diminuer quand T augmente ; une CTP la voit augmenter brutalement au-delà d’un seuil.
La sonde Pt100 (platine) est la référence industrielle pour la précision : 100 Ω à 0 °C, relation quasi linéaire.
Le thermocouple couvre la plus grande plage (jusqu’à +1 000 °C) ; le thermomètre infrarouge mesure sans contact ; les cristaux liquides donnent une lecture visuelle directe.
En atelier : CTN ou Pt100 pour les étuves de séchage, CTP pour la protection des moteurs, thermocouple pour les paliers de machines, IR pour les surfaces en mouvement.

8. Activités numériques

Ces simulations interactives prolongent le cours. Elles permettent de manipuler les capteurs virtuellement et d’observer leur comportement sans matériel physique.

CTN vs Pt100 — Comparer les courbes R(T)

Faire varier la température de 0 à 150 °C et observer comment la CTN et la Pt100 réagissent différemment. La simulation explique pourquoi on choisit l’un ou l’autre selon le contexte.

Ce que vous allez faire : lire R pour une température donnée, comparer les sensibilités, identifier la zone de forte variation CTN.

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Thermostat CTN — Réguler une étuve de séchage

Simuler le fonctionnement d’un thermostat industriel : régler la consigne, observer la résistance CTN mesurée et comprendre pourquoi le chauffage s’allume ou s’éteint.

Ce que vous allez faire : comparer R mesurée et R_consigne, lire la table de correspondance R→T, comprendre la régulation tout-ou-rien.

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Particules de froid et de chaud — Visualiser l'agitation thermique

Voir le modèle particulaire en action : des particules rapides (chaud) et lentes (froid) de part et d'autre d'un mur isolant. La simulation déconstruit l'idée fausse de « particule de froid » : le froid ne voyage pas, c'est la chaleur qui se transmet.

Ce que vous allez faire : faire varier la température extérieure et observer l'agitation, couper le chauffage et regarder la température intérieure dériver, tester l'effet de l'isolation.

Ouvrir la simulation →