Rømer, Fahrenheit, Celsius
Sandro Girolamo Tropiano 2024
La scala Celsius della temperatura ha una struttura molto razionale: è divisa in cento parti, i punti di riferimento a 0°C e 100°C corrispondono (storicamente) alle temperature di solidificazione e di ebollizione dell'acqua, situazioni in cui è più semplice stabilire una scala poiché durante le transizioni dalla fase liquida a solida o da liquida a vapore, la temperatura si mantiene costante.
Coloro che, come me, sono abituati a usare la scala Celsius hanno di solito difficoltà a capire le scelte su cui si basa la scala Fahrenheit, cioè la divisione della scala in 180 parti fra il punto di solidificazione dell'acqua a 32°F e quello di ebollizione a 212°F. Tuttavia le scelte avevano evidentemente una ragion d'essere.
In queste poche pagine ho cercato di mettere in fila queste motivazioni una dopo l'altra, per come si sono presentate.
Termoscopi
Nei tre libri de spiritali pubblicato nel 1606 a Napoli da Giovanni Battista Della Porta (1535-1615)[1], è descritto un dispositivo in grado di misurare l'espansione dell'aria quando questa è riscaldata da una fiamma.
Il termine termoscopio (Thermoscopium) appare per la prima volta nel trattato Sphaera Mundi del gesuita bolognese Giuseppe Biancani (1566-1624) [2]. Il dispositivo è descritto a pagina 110 di questo trattato, completato nel 1617 e stampato nel 1620. Biancani era astronomo e matematico, fra il 1596 e il 1599 ebbe modo di incontrare Galileo a Padova. Sebbene non si opponesse apertamente alle idee galileiane, la sua concezione dell'universo era tolemaica.
Alla sua morte, Giovanni Battista Riccioli, un suo allievo, nel compilare una delle prime mappe della Luna, gli dedicò un cratere chiamandolo Blancanus.
Una pagina dal trattato Sphaera Mundi di Giuseppe Biancani.
Il bulbo di vetro B contiene aria, mentre nella parte bassa del tubo sottile (gracilissima sistula), vi è l'acqua che viene spinta in basso dall'aria che si espande quando la sua temperatura aumenta. Quindi il livello dell'acqua indica la temperatura dell'aria nel bulbo superiore. Nel testo l'invenzione viene attribuita a Santorio, medico Padovano. Nella figura è chiaramente visibile una scala graduata, anche se non si tratta propriamente di una scala termometrica.
Santorio è considerato il fondatore della medicina quantitativa. Nel 1626 pubblicò i dettagli del Pulsilogium [3], un pendolo che utilizza l'isocronismo (dimostrato da Galileo nel 1602) per misurare i battiti cardiaci.
In effetti Santorio apparteneva alla cerchia degli amici di Galileo ed era un assiduo frequentatore della famiglia Morosini dove spesso si riunivano gli allievi di Galileo[4].
C'è la testimonianza di un altro amico e collaboratore di Galileo, Francesco Sagredo, che in una lettera del 9 maggio 1613 (pubblicata nella collezione di Giovanni Battista Clemente Nelli, Vita e commercio letterario di Galileo Galilei nobile e patrizio fiorentino, nel 1793) [5], scrive al maestro:
L'Istrumento per misurare il caldo inventato da VS. Eccellentissima, è stato da me ridotto in diverse forme assai comode, et esquisite, intantoché la differenza della temperie di una stanza all'altra si vede fin da 100. gradi. Ho con queste speculate diverse cose meravigliose, come per esempio, che nell'Inverno sia più fredda l'aria, che il ghiaccio, e la neve; che ora appare più fredda l'acqua che l'aria;
Sembra quindi che il termoscopio si possa far risalire a Galileo, ma facciamo ancora qualche passo indietro: a partire dalla presa di Costantinopoli (1453) molti libri greci cominciano a circolare per l'Europa e fioriscono le traduzioni in stampa (la prima stamperia apre a Venezia nel 1469). Fra i testi che circolano figura la Pneumatica di Erone. Sappiamo che Galileo possedeva due traduzioni della Pneumatica, quella in latino di Federico Commandino, del 1575 e quella di Alessandro Giorgi, in italiano del 1592(6). In quest'opera vi sono descritti molti apparati e macchinari che fanno uso delle proprietà di
espansione dell'aria quando è sottoposta a riscaldamento.
Macchina per l'apertura di una porta tramite riscaldamento dell'aria.
Pneumatica di Erone, trad. Giorgi 1592
Si può allora affermare che Galileo, quando giunge nella repubblica veneziana, abbia costruito un termoscopio. Sono gli anni compresi fra il 1592, e i primissimi anni del 1600. Sagredo introduce una scala per poter comunicare per iscritto in modo quantitativo a Galileo le variazioni della temperatura, ma nota anche delle irregolarità nelle misure effettuate nelle stesse condizioni e le comunica a Galileo nella lettera del 7 febbraio 1615.
Il termoscopio è in effetti un termo-barometro, poiché essendo immerso in un liquido a contatto diretto con l'atmosfera, il livello raggiunto dal liquido nella cannula dipende, oltre che dalla temperatura dell'aria nell'ampolla, anche dalla pressione atmosferica.
Termometri
Il Granduca Ferdinando II de' Medici, proseguendo gli studi di Galileo, utilizza un'ampolla chiusa con spirito al posto dell'acqua (G.T. Tozzetti, Atti e memorie inedite dell'Accademia del Cimento, 1780) [7]. Nell'Accademia del
Cimento fondata per proseguire gli studi di Galileo dallo stesso Granduca e da suo fratello il Principe Leopoldo, furono realizzati e sperimentati decine di termometri, visibili oggi nel Museo Galileo a Firenze.
I termometri dell'Accademia del Cimento [7] avevano scale divise in 50, 100 e 300 parti. Uno degli accademici, Carlo Renaldini, perfezionando un'idea di Sebastiano Bartolo (1635-1676), propone di fissare per la determinazione della scala, due punti di riferimento: la fusione del ghiaccio e l'ebollizione dell'acqua.
Il danese Ole Rømer (1644-1710), un personaggio poliedrico, ricordato principalmente per la sua misura della velocità della luce, recepisce i risultati dei fiorentini e, sembra intorno al 1702, introduce un miglioramento: mescola acqua allo spirito per evitare l'eccessiva evaporazione a temperature alte e il congelamento a quelle basse. Come punto di riferimento inferiore della scala, usa una miscela frigorifera (acqua, ghiaccio e cloruro di ammonio), il punto di riferimento superiore è dato dall'ebollizione dell'acqua e la suddivisione è in 60 parti (scala familiare agli astronomi per via delle misure angolari sessagesimali). Rømer trova che la fusione del ghiaccio avviene a 7.5 gradi e la temperatura del corpo umano risulta 22.5 gradi. Da notare che fra lo zero e la temperatura di fusione del ghiaccio vi erano 7.5 gradi, quindi 1/8 di 60 e che quella del corpo umano è 3/8 di 60.
Daniel Gabriel Fahrenheit, prussiano (di Danzig) è impegnato nella produzione di termometri a mercurio, allora già conosciuti ma poco diffusi perché di difficile realizzazione. Nel 1708 fa visita a Rømer e rimane molto impressionato dai suoi risultati e dalla suddivisione della scala, come scriverà poi in una lettera a Boerhaave nel 1724. Fahrenheit lavora per 18 anni sui termometri ma per motivi di concorrenza commerciale non pubblica i suoi risultati. Fra il 1724 e il 1726 dà alla luce 5 brevi articoli sulla prestigiosa rivista della Royal Society, Philosophical Transactions. Fahrenheit costruisce e vende strumentazione scientifica (barometri, altimetri, termometri) in Olanda a The Hague. Continua comunque a lavorare sui termometri fino alla sua morte nel 1736.
Nella figura seguente è riportata la scala Rømer, il cui principale uso era presumibilmente quello di registrare le condizioni delle osservazioni astronomiche e anche quello di studiare le unità di misura su cui certamente ha lavorato. Purtroppo non abbiamo molte altre notizie in merito poiché un incendio nel 1728 ha distrutto gran parte della sua documentazione. La scala Fahrenheit [9] [10], come si è già detto, prende spunto da quella di Rømer, ma poiché il principale uso dei termometri costruiti da Fahrenheit era quello delle osservazioni meteorologiche, i riferimenti che prende in considerazione nella suddivisione sono il punto di fusione del ghiaccio e la temperatura del corpo umano. In un primo tempo, cioè fino circa al 1717, usa i valori di Rømer moltiplicandoli per 4, per avere una maggiore sensibilità dello strumento e per evitare di usare valori frazionari, quindi per il punto inferiore si ha 7.5 x 4 = 30 e per il punto superiore 22.5 x 4 = 90. In uno degli articoli pubblicati nel 1724 su Philosophical Transactions, scrive che preferisce utilizzare 96 gradi come punto superiore senza indicarne il motivo. [11]
Il punto inferiore (fusione del ghiaccio) risulta 32 gradi. Lo zero è indicato genericamente come miscuglio di ghiaccio, acqua, cloruro di ammonio oppure(!) sale marino: ci sono circa 6 gradi Fahrenheit di differenza fra i due miscugli. Non sembra quindi preoccuparsi eccessivamente dello zero della scala, probabilmente era interessato ad avere soltanto valori positivi da usare in ambito meteorologico. Il punto di ebollizione non viene neanche nominato,
presumibilmente perché fuori dal range dei valori ambientali. La scelta del valore di 32 gradi per la fusione del ghiaccio può essere dovuta alla divisibilità per 8, come il punto superiore 96 e al fatto che è una potenza di 2, inoltre nel sistema metrico imperiale, in uso all'epoca, in cui si adoperano multipli di 12 (1 piede = 12 pollici), il valore 96 è 8 volte 12 gradi.
La suddivisione fra la fusione del ghiaccio e l'ebollizione dell'acqua è in 180 parti che è di nuovo un multiplo di 12.[12]
L'astronomo svedese Anders Celsius, torna invece sui due punti di riferimento di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell'acqua, dividendo però l'intervello in 100 parti. La sua scala, pubblicata nel 1742 (Observations on Two Well-Defined Degrees of the Thermometer) sui Transactions della Accademia Svedese delle Scienze, prevedeva lo zero per l'ebollizione e il valore 100 per la fusione del ghiaccio. Alcuni costruttori di termometri e anche il fisico francese J.P. Christin nel 1743, trovarono più comodo invertire la scala[13]. Nel 1750, alcuni anni dopo la morte di Celsius, il suo successore Martin Strømer e il costruttore di strumenti Daniel Ekström invertono definitivamente la scala rendendola nella forma conosciuta oggi.
Confronto fra le scale Rømer, Fahrenheit, Celsius.
Bibliografia
[1] G.B. Della Porta, I tre libri dei spiritali 1606
[2] Giuseppe Biancani, Sphaera Mundi 1620
[3] Santorio Santorio, Commentaria Canonis Avicennae 1626
[4] Matteo Valleriani Galileo Engineer 2010
[5] G.B.C. Nelli, Vita di Galileo 1793
[6] A. Giorgi, Spiritali di Herone alessandrino 1592
[ 7 ] G.T. Tozzetti, Atti e memorie inedite dell'Accademia del Cimento, 1780
[8] Accademia del Cimento, Saggi di Naturali Esperienze 1667
[9] Henry Carrington Bolton, Evolution of the Thermometer (1591-1743) 1900
[ 10] J.N. Friend, The Origin of Fahrenheit's Thermometric Scale, Nature
6/3/1937 pag 395-398
[11] D.G. Fahrenheit Experimenta et observationes de congelatione aqua e in
vacuo, Philosophical Transactions 1724, 78-84
[12] W.E.J. Middleton, A History of The Thermometer 1966
[13] Herbert Arthur Klein, The Science of Measurement, a Historical Survey 1974