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Il termometro. [Appunti del corso di Storia della Chimica]

Il termometro.

Il termometro nacque in risposta alla necessità di disporre di uno strumento oggettivo che sostituisse le impressioni sensoriali soggettive di caldo e freddo, che, in qualche caso, risultavano contraddittorie. Nel XVII secolo, questa esigenza cominciava a manifestarsi in molti campi delle Scienze, e della Chimica in particolare, quasi che l’indagine sensoriale, recuperata la propria superiorità sulla logica deduttiva nell’osservazione dei fenomeni naturali, si scoprisse inadeguata. Nascevano e si sviluppavano perciò metodi strumentali per definire le qualità e i cambiamenti delle sostanze, in sostituzione, e qualche volta in contrasto, con le osservazioni sensoriali: per esempio, i chimici pneumatici, mettevano a punto metodi analitici per differenziare i gas l’uno dall’altro, a prescindere dal loro odore e dal criterio di respirabilità.

Come e meglio del barometro, il termometro esemplifica una situazione ricorrente nell’indagine scientifica: quella di uno strumento costruito e perfezionato senza che fossero completamente chiariti, né il funzionamento, né la natura della grandezza fisica che esso misurava. Tuttavia, l’uso contribuì a portare chiarezza, e, attraverso un lungo percorso speculativo, a comprendere la natura del calore e, soprattutto, la differenza tra calore e temperatura. Per lungo tempo, il calore fu considerato una sostanza, un fluido materiale capace di trasferirsi da un corpo a un altro, almeno fino al 1620, quando, per la prima volta, Francesco Bacone affermò trattarsi di una forma di movimento delle particelle elementari che costituiscono la materia. L’ipotesi fu accettata e ripresa da Galilei, Newton e JOHN LOCKE (1632-1704), medico, filosofo e chimico, suo contemporaneo. Tuttavia, essa non ebbe il sopravvento sulla concezione materiale del calore, come dimostrato ancora alla fine del XVIII secolo, dall’inclusione del calorico nella lista delle sostanze elementari compilata da Lavoisier.

Eppure, negli stessi anni, Joseph Black per primo distinse chiaramente tra temperatura e calore, definendo correttamente i concetti di calore specifico e calore latente. Il problema, tipicamente fisico, acquisiva nuove implicazioni in campo chimico: il calore andava considerato un agente fisico, in grado di causare le reazioni chimiche, senza però parteciparvi, o una vera e propria entità chimica, capace di legarsi, secondo precisi rapporti quantitativi, come componente nei composti?

Per tutti questi motivi, il termometro fu accolto come uno strumento di facile uso e in grado di fornire misurazioni accurate, nonostante i primi esemplari avessero un funzionamento problematico e presentassero difficoltà concettuali sia nella calibrazione che nella comprensione del loro funzionamento.

E’ indubbio che, sin dall’antichità, guidati dalle impressioni sensoriali di caldo e freddo, gli uomini abbiano iniziato a speculare sulla natura del calore, ma non ci sono pervenuti indizi di qualche loro tentativo di effettuarne misure quantitative. Aristotele aveva attribuito ai concetti di caldo e freddo lo status di qualità fondamentali secondarie che non potevano essere ridotte a qualità primarie, suscettibili di indagini quantitative. Questo concetto, condiviso dai filosofi suoi seguaci, fino al Medio Evo, scoraggiò sin dal suo nascere, ogni tentativo di misurazione1).

Ciò non toglie che qualche sporadico tentativo sia stato fatto, sia dal punto di vista concettuale, che sperimentale. I primi apparecchi che evidenziavano l’espansione e la contrazione dell’aria al variare della temperatura furono costruiti da FILONE DI BISANZIO (II sec. a.C.) e ERONE DI ALESSANDRIA (I sec. a.C.), i cui testi originali sono andati perduti, ma le cui traduzioni arabe e latine erano diffuse nell’Europa del XVII secolo, in particolare in Italia, come testimoniato da della Porta. Filone collegò con un tubo una sfera cava di piombo e un recipiente pieno d’acqua; quando la sfera era esposta ai raggi solari, l’aria che essa conteneva si dilatava e usciva dal tubo, sotto forma di bolle entro l’acqua; quando la sfera era riportata all’ombra, l’acqua risaliva entro il tubo, al contrarsi dell’aria entro di essa. Erone costruì un dispositivo molto simile, nel quale, però, la quantità d’aria entro la sfera di piombo si manteneva costante; questa era una condizione indispensabile per una determinazione quantitativa dell’espansione termica, che però non era tra le sue finalità immediate.

Il primo a porsi il problema di attribuire valori numerici alle quantità di caldo e freddo fu GALENO (130-200 d.C.), che definì una scala, prima ancora di avere ideato uno strumento per costruirla. La scala era centrata su un grado standard neutro, ottenuto mescolando quantità eguali di ghiaccio e acqua bollente, che, evidentemente, riteneva la più fredda e la più calda di tutte le sostanze. Non sappiamo se fossero eguali le masse o i volumi, ma, nel tentativo di ricondurre i due opposti ad un’unica grandezza fisica, i corpi freddi erano classificati in quattro gradi di freddo, al diminuire della loro qualità di caldo, quelli caldi potevano essere ad un grado compreso tra il primo e il quarto2). La determinazione si eseguiva confrontando sensorialmente il corpo in esame con lo standard di riferimento.

Gli Arabi furono probabilmente i primi a rendersi conto della necessità di distinguere tra quantità e intensità di caldo e freddo, esprimendosi in termini di extensio e intensio, mentre Galilei superò per primo la difficoltà concettuale posta dalla coppia di opposti caldo-freddo, affermando che il freddo non è altro che privazione di caldo.

All’inizio del XVII secolo, lo sviluppo della moderna termometria e del concetto di temperatura emersero dalla fusione di due tendenze complementari. La prima, conseguenza della riabilitazione delle idee di Democrito e Platone, era una tendenza all’astrazione che, agli aspetti qualitativi dei fenomeni, preferiva sostituire entità matematicamente determinabili; la seconda era la tendenza a implementare questo processo di astrazione con l’uso di strumenti, cioè di corpi di riferimento, sui quali leggere in maniera quantitativa i gradi di caldo o freddo, senza ricorrere alle sensazioni. Se si caratterizza la termodinamica come un insieme di principi per descrivere i fenomeni termici, proprio come la meccanica descrive quelli non-termici, non è sorprendente che gli storici abbiano attribuito l’invenzione, intorno al 1592, del primo termometro ad aria a Galilei, uno dei fondatori della moderna meccanica3).

Sebbene non esista una documentazione diretta che avvalori questa tesi, i suoi allievi e ammiratori, tra i quali VINCENZO VIVIANI (1622-1703), fanno frequenti riferimenti a questa possibilità. In una lettera scritta il 20 settembre 1638 a FERDINANDO CESARINI (1604-1646), il benedettino BENEDETTO CASTELLI (1577/8-1642) ricorda che, più di 35 anni prima, Galilei gli mostrò un’ampolla di vetro delle dimensioni di un uovo, munita di un collo di vetro lungo e sottile. Dopo aver scaldato l’ampolla tenendola tra le mani, la capovolse, immergendone il collo in una bacinella piena d’acqua. Lasciata libera l’ampolla, man mano che l’aria calda al suo interno si raffreddava, l’acqua saliva nel tubo fino ad un livello superiore a quello dell’acqua nella bacinella. I successivi riscaldamenti o raffreddamenti dell’ampolla causavano un abbassamento o un innalzamento del livello dell’acqua nel tubo.

Il primo a utilizzare questi strumenti in medicina fu certamente l’istriano SANTORIO SANTORIO (1561-1636), professore di medicina teorica a Padova, dal 1611 al 1624; come riportato in una lettera di Gianfrancesco Sagredo, del 30 giugno 1612, e pubblicato da lui stesso nei Commentaria in artem medicinalem Galeni, Parte III, Santorio usava un compasso per misurare la dilatazione dell’acqua lungo il tubo di vetro che, evidentemente, mancava ancora della scala graduata4). Si trattava quindi, non di un termometro, ma di un termoscopio, termine coniato da GIUSEPPE BIANCONI (1566-1624) nel 1617.

Il medico gallese ROBERT FLUDD (1574-1637) riprodusse il termoscopio di Filone, aggiungendovi, però, intorno al 1626, una scala graduata, convertendolo in un vero e proprio termometro ad aria. Il disegno di un termoscopio con scala graduata era stato pubblicato per la prima volta a Roma, nel 1611, dall’ingegnere Bartolomeo Telioux, ma, dalla descrizione che ne dà nel manoscritto, è chiaro che non ne capì il funzionamento.

Il processo con il quale Santorio arrivò alla costruzione del termometro è più lungo e difficile da ricostruire, rendendo problematica ogni attribuzione di priorità. Il suo primo modello non aveva scala graduata, quelli descritti nel 1625 hanno forme differenti, ma sono caratterizzati da un bulbo di vetro all’estremità superiore e un’estremità inferiore che pesca in un recipiente pieno d’acqua e una scala graduata lungo tutto il tubo di vetro. Introducendo il bulbo di vetro nella bocca dei pazienti, Santorio fu il primo medico a osservare le variazioni di temperatura del corpo umano, e a metterle in relazione con lo stato di salute: per graduare il tubo, scelse come punti fissi la temperatura della neve e la fiamma di una candela5).

Un quarto pretendente alla scoperta del termometro fu l’olandese CORNELIUS DREBBEL (1572-1634), che, in un momento imprecisato tra il 1598 e il 1622, costruì un orologio astronomico, il cui moto perpetuo era causato da un tubo di cristallo, nel quale l’acqua saliva o scendeva, sfruttando la dilatazione termica dell’aria all’interno del tubo. Anche se questo non può definirsi un termometro ad aria, è singolare il fatto che, negli stessi anni, nei Paesi Bassi, si usava un termometro ad aria, molto simile a quello di Drebbel, descritto nel 1626 dal gesuita Jean Leuréchon, che usò per la prima volta il termine thermomètre. Consisteva in un tubo di vetro a forma di J, chiuso all’estremità più alta e un bulbo aperto a quella più bassa. Negli anni successivi, anche il bulbo inferiore fu sigillato e chiuso in una scatola di legno, per mantenerlo a temperatura costante: poiché lo spostamento dell’acqua dipendeva dalla differenza di temperatura alle due estremità, questo arrangiamento prese il nome di termometro differenziale6).

Finché non si comprese pienamente l’importanza che rivestiva l’individuazione di punti di riferimento affidabili e riproducibili, la nascente termometria soffrì la mancanza di una scala condivisa di temperature, che consentisse di confrontare le misure eseguite con strumenti differenti. Leuréchon distingueva una scala del filosofo, che divideva in otto gradi la lunghezza del tubo, e una scala del medico, divisa in quattro gradi. Sotto l’influsso di Galeno, Fludd posizionò il punto zero al centro della scala, dividendo il resto del tubo in sette divisioni su entrambi i lati. Il termoscopio di Telioux aveva una scala divisa in gradi e minuti, quello di Sagredo assegnava 300 gradi al caldo estivo, 100 al ghiaccio e alla neve7).

Una seconda fonte di incertezza, che rendeva rudimentali e poco accurati i termometri ad aria, con una estremità aperta, era il fatto che l’altezza del livello dell’acqua entro la canna termometrica, oltre che dalla temperatura, dipendeva anche dalla pressione atmosferica esterna che, come mise in evidenza Pascal sin dal 1664, variava continuamente nel tempo8). Sebbene questo fosse un grosso inconveniente, i termometri a liquido furono costruiti e preferiti a quelli ad aria ben prima che si scoprisse la variabilità della pressione atmosferica, perchè altri fattori, quali una maggiore compattezza e maneggiabilità, giocavano a loro favore. Il primo a costruire e utilizzare un termometro ad acqua fu, nel 1632, il medico parigino Jean Rey; nel suo strumento, il bulbo, completamente riempito d’acqua, era posto in basso, mentre lo stelo lungo e stretto che lo sovrastava era aperto in alto, per cui le misurazioni erano compromesse dall’evaporazione del liquido9).

L’invenzione dei termometri sigillati ad alcol (1654) è generalmente attribuita al Granduca di Toscana FERDINANDO II DE’ MEDICI (1610-1670), ma grande merito per il loro miglioramento e l’ampliamento del loro uso va riconosciuto a un gruppo di studiosi, in genere collaboratori o ex-studenti di Galilei, che costituirono l’Accademia del Cimento. Fondata da Ferdinando II e dal fratello Leopoldo, l’Accademia fiorì a Firenze tra il 1657 e il 1667, pubblicando un resoconto del lavoro collettivo dal titolo Saggi di naturali esperienze (1667), redatto dal segretario dell’Accademia, Lorenzo Magalotti (1637-1712), e destinato ad esercitare una profonda influenza sullo sviluppo della scienza europea10). I membri dell’Accademia utilizzavano questi termometri, costruiti da Antonio Alamanni, quasi esclusivamente per le loro indagini sperimentali; tre di essi sono descritti nella prima parte dei Saggi.

I termometri erano soffiati nella fornace per bicchieri del Giardino di Boboli, o acquistati a Venezia. Per riempirli, si scaldava il bulbo di vetro e si immergeva il lungo stelo nel liquido, che veniva aspirato all’interno, man mano che il liquido si raffreddava; poi si introduceva dell’altro liquido, per mezzo di un piccolo imbuto. Come liquido termometrico, l’alcool era preferito all’acqua perché più sensibile e non corrodeva il vetro, ma si rivelò poco adatto per la sua temperatura di ebollizione troppo bassa e per il fatto che le sue prestazioni dipendevano dalla composizione della miscela alcol/acqua. Inizialmente, esso era colorato con chermes, ma si notò ben presto che il materiale colorante lasciava un deposito sullo stelo del termometro11).

La diffusione, in tutta Europa, dei termometri prodotti a Firenze, per coordinare le osservazioni meteorologiche, mise in evidenza il problema del confronto dei dati, che richiedevano prestazioni paragonabili da parte di diversi strumenti. E’ verosimile che gli Accademici basassero la riproducibilità degli strumenti sulla bravura del soffiatore nel mantenere costanti il volume del bulbo e la sezione dello stelo. Nei saggi sono descritti i termometri gelosi, ad alto fusto, il tubo termometrico, diviso in 100, 300 e 420 gradi da bottoncini di smalto, che evidentemente, potevano essere fissati solo a priori, portando il vetro alla temperatura di rammollimento, e non dopo che il termometro era stato riempito.

Un numero così alto di divisioni richiedeva un tubo così lungo da dover essere avvolto a spirale, operazione che faceva perdere omogeneità al calibro dello stelo. Erano previsti dei punti fissi per ciascun tipo di termometro, ma essi erano utilizzati per adattare ad essi, attraverso una serie di tentativi, le dimensioni del termometro, piuttosto che la posizione dalla scala. Sfuggiva agli accademici il vantaggio di fissare il punto al quale si fermava il liquido quando il termometro era immerso nel ghiaccio, metodo utilizzato 50 anni prima da Santorio per tarare il suo termometro ad aria12).

Nei Saggi sono descritti anche i termometri infingardi, lenti e poco sensibili, costituiti da sferette di vetro colorato, immerse nell’acquarzente, ciascuna tarata per muoversi verso l’alto solo ad una data temperatura. Sullo stesso principio, si basava il funzionamento della ranocchietta, il primo termometro clinico, da legare al polso. Tutti questi termometri erano in eccellente accordo tra di loro, soprattutto quelli centigradi, come dimostrato da Antinori nel 1829.

Gli accademici provarono anche altri liquidi, tra i quali l’acqua, notando che il suo volume raggiungeva un valore minimo a una temperatura poco al di sopra di quella di congelamento. Provarono anche il mercurio e paragonarono un termometro riempito con alcol e un con mercurio, notando con disappunto che il mercurio non si innalzava quanto l’alcol quando i due termometri erano posti in acqua calda. Osservarono anche che il mercurio si raffredda più rapidamente dell’acqua, quando è posto nel ghiaccio, e si riscalda più rapidamente in acqua calda. Tuttavia, non avendo ancora proporzionato il calibro del tubo alle dimensioni del bulbo, ritennero il termometro a mercurio meno adattato di quello ad alcol13).

I termometri costruiti a Firenze erano utilizzati per eseguire sistematiche registrazioni della temperatura della città di Parigi, già nel 1658; nel 1661, il giovane Robert Southwell, di ritorno dal Grand Tour in Europa, ne mostrò un esemplare, importato da Firenze, a Robert Boyle. In Inghilterra erano già in uso termometri ad aria, ma la possibilità che il liquido in un termometro sigillato potesse contrarsi per raffreddamento, senza che entrasse dell’aria nello stelo, era ritenuta inaccettabile dagli altri filosofi naturali, come quella del vuoto. Boyle ne costruì altri esemplari, con l’aiuto di ROBERT HOOKE (1635-1703), che introdusse alcuni miglioramenti, e ne mostrò i vantaggi ai soci della Royal Society: indipendenza dalla pressione esterna, eliminazione dell’evaporazione, impossibilità di versamento del liquido e facilità di immersione nei liquidi. Un ulteriore contributo di Boyle fu l’aver paragonato le capacità termiche dei diversi liquidi e i rispettivi coefficienti di dilatazione termica14).

Nel 1699, il fisico francese GUILLAUME AMONTONS (1663-1795) migliorò le prestazioni del termometro ad aria, correggendone la lettura in funzione della corrispondente pressione atmosferica. DANIEL GABRIEL FAHRENHEIT (1686-1736), un costruttore di strumenti, nato a Danzica (allora in Germania), ma residente in Olanda, nel 1708 aveva fatto visita a Römer a Copenhagen, e lo aveva osservato mentre preparava dei termometri. Continuando a indagare per conto proprio, nel 1714 mise in evidenza i vantaggi del mercurio come liquido termometrico. Sebbene avesse un coefficiente di espansione termica più basso di quello di altri fluidi, esso, a differenza dell’alcol, poteva essere ottenuto con elevato grado di purezza, e aveva elevata conducibilità, tensione di vapore estremamente bassa, elevata temperatura di ebollizione e era chimicamente stabile.

1) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 270;
2) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 272;
3) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 274;
4) W. E. Knowles Middleton, A History of the Thermometer, The Johns Hopkins Press, Baltimora (1966) 10;
5) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 277;
6) W. E. Knowles Middleton, A History of the Thermometer, The Johns Hopkins Press, Balt. (1966) 25;
7) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 279;
8) W. E. Knowles Middleton, A History of the Thermometer, The Johns Hopkins Press, Balt. (1966) 28;
9) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 281;
10) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 282;
11) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 283;
12) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 285;
13) W. E. Knowles Middleton, A History of the Thermometer, The Johns Hopkins Press, Balt. (1966) 37;
14) M. K. Barnett, Osiris, 12 (1956) 290.
 
le_misure/il_termometro.txt · Ultima modifica: 02/April/2010 08:30 da admin
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