Die Geschichte der Thermometrie

A História da Termometria – Dos Primórdios à Precisão

Heróis da Temperatura: De pé sobre os ombros de gigantes

A história da termometria é uma história de descobertas, erros e descobertas inovadoras. Começa com as primeiras tentativas da antiguidade de compreender o calor e o frio, continua com a simplicidade engenhosa do termoscópio de Galileu Galilei e os termómetros de resistência à platina padrão de alta precisão (SPRTs) do nosso tempo.

Cada avanço na história da termometria baseia-se no conhecimento e nas experiências dos cientistas que vieram antes de nós. Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius, William Thomson (Lord Kelvin) e muitos outros não só desenvolveram escalas de temperatura, mas revolucionaram a nossa compreensão do calor e da energia. Sem as suas ideias e métodos de medição, a medição fiável da temperatura seria impensável hoje.

Estamos sobre os ombros destes “Heróis da Temperatura”. O seu trabalho molda não só a ciência de hoje, mas também a nossa vida moderna. Vou levá-lo em uma viagem pela história da termometria – desde as primeiras tentativas simples até a medição de temperatura de alta precisão do presente.

Introdução – História da Termometria

A temperatura é uma das grandezas físicas mais importantes no nosso dia-a-dia. Sem uma medição precisa da temperatura, muitas coisas seriam mais complicadas ou mesmo perigosas. Mas nem sempre foi assim. Durante séculos, os seres humanos não tinham como medir a temperatura com precisão. Foi somente com o desenvolvimento dos primeiros termômetros, nos séculos 16 e 17, que uma nova era de ciência e tecnologia começou. Como evoluíram os termómetros ao longo do tempo? E que marcos levaram a medição de temperatura ao nível de precisão atual?

Conteúdo

Por que a medição de temperatura é importante?

A temperatura influencia o nosso dia-a-dia mais do que muitas vezes percebemos conscientemente. Desde pegar um casaco de manhã até o café perfeitamente preparado e controlar o aquecimento no inverno – sem medição precisa de temperatura, muitas coisas seriam impraticáveis ou até mesmo perigosas.

A temperatura já desempenha um papel importante na cozinha. Ao cozinhar ou assar, determina o sabor e a consistência. Um bife só sai perfeitamente quando a temperatura central certa é atingida, e o chocolate derrete à temperatura corporal – e é por isso que derrete tão agradavelmente na língua. Mesmo o seu café da manhã só tem um sabor muito bom se estiver quente o suficiente, mas não tão quente que você queime a língua.

A temperatura é importante não só na preparação dos alimentos, mas também no armazenamento dos alimentos. Uma geladeira precisa estar fria o suficiente para manter os alimentos frescos, mas não tão fria que frutas e vegetais congelem.

A medição da temperatura também é indispensável nos cuidados de saúde. Quando temos febre, um termómetro dá-nos imediatamente uma avaliação se é uma constipação inofensiva ou possivelmente uma doença mais grave.

Uma rápida olhada no termômetro muitas vezes determina como nos vestimos ou quais atividades realizamos. Quando está gelado lá fora, vestimo-nos calorosamente e, quando a temperatura está alta, usamos roupas leves. A temperatura também é crucial para a nossa segurança na estrada: o gelo negro pode formar-se a temperaturas abaixo de zero.

Em última análise, a medição de temperatura é um auxiliar invisível que torna as nossas vidas mais seguras, confortáveis e saudáveis. Seja no pequeno-almoço, no trabalho ou na rua – determina muitas decisões sem que nos apercebamos conscientemente.

Breve antevisão do desenvolvimento da termometria

A história da medição de temperatura remonta a um longo caminho. Mesmo nos tempos antigos, os estudiosos tentaram entender o calor e o frio, mas foi apenas nos séculos 16 e 17 que surgiram as primeiras escalas mensuráveis. Galileu Galilei desenvolveu o primeiro termoscópio por volta de 1593, que tornou visíveis as mudanças de temperatura, mas ainda não forneceu valores exatos. No século 18, pesquisadores como Fahrenheit, Celsius e Réaumur introduziram escalas de temperatura precisas, que lançaram as bases para métodos modernos de medição. Com a Revolução Industrial surgiram novas tecnologias como o termômetro de mercúrio, termômetros de resistência elétrica e, mais tarde, sensores digitais.

Hoje, a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) permite uma medição de temperatura de alta precisão e globalmente uniforme. Baseia-se em pontos fixos definidos, incluindo o ponto triplo da água (0,01 °C).

RTDs de platina padrão (SPRTs) são usados em medições de alta precisão, que permitem medições com precisão na faixa de microkelvin.

Este desenvolvimento mostra como observações simples se tornaram um padrão científico.

Primeiras tentativas de medição de temperatura

Antes dos termómetros existirem, as pessoas tinham de estimar as diferenças de temperatura de uma forma simples e muitas vezes subjetiva. Nos tempos antigos, não existiam escalas ou métodos exatos de medição, mas várias culturas desenvolveram métodos para avaliar aproximadamente o calor e o frio.

O método mais simples: sinta com a mão

O tipo mais óbvio de avaliação de temperatura foi o toque. As pessoas seguravam as mãos ao sol, na água ou ao vento para sentir calor ou frio. Mas este método era propenso a erros – a nossa pele adapta-se rapidamente às temperaturas, pelo que muitas vezes só percebemos diferenças relativas.

Expansão do ar como indicador precoce de temperatura

Mesmo nos tempos antigos, os estudiosos observaram que o ar se expande quando está quente e se contrai quando está frio. Embora nenhuma pessoa específica tenha sido registrada pelo nome que fez essa observação, os primeiros cientistas usaram esse princípio para desenvolver dispositivos simples baseados na expansão do ar.

Significado Médico: A Temperatura do Corpo

A temperatura desempenhou um papel importante na medicina antiga. O médico grego Hipócrates (c. 460–370 a.C.) recomendou avaliar a temperatura de um paciente tocando sua testa ou mãos. Esta foi uma forma precoce de diagnóstico que ainda hoje é usada na medicina – apesar de hoje termos termómetros clínicos.

Os métodos da antiguidade eram rudimentares, mas lançaram as bases para desenvolvimentos posteriores. A observação da expansão do ar levou mais tarde ao desenvolvimento do termoscópio, e a avaliação da temperatura médica mostrou como a termometria é importante para a vida cotidiana.

Primeiras considerações teóricas na antiguidade (por exemplo, por filósofos como Empédocles ou Aristóteles)

Muito antes dos termômetros existirem, os filósofos antigos estavam preocupados com os conceitos de calor e frio. Como ainda não tinham métodos físicos de medição, interpretavam a temperatura com base em fenômenos naturais e princípios filosóficos. Dois dos pensadores mais importantes neste campo foram Empédocles (século 5 a.C.) e Aristóteles (século 4 a.C.), cujas ideias influenciaram o pensamento científico durante séculos.

Empédocles: A Teoria dos Quatro Elementos e a Temperatura como Propriedade da Matéria

Empédocles foi um dos primeiros filósofos a tentar explicar a natureza através de elementos fundamentais. Ele desenvolveu a doutrina dos quatro elementos, segundo a qual tudo consiste nas quatro substâncias básicas fogo, água, ar e terra. O calor foi associado ao fogo e ao ar, enquanto o frio foi associado à água e à terra. De acordo com esta teoria, a temperatura não era uma quantidade física independente, mas uma propriedade dos próprios elementos.

Quatro Elementos da Alquimia
Quatro elementos da alquimia: īgnis = fogo; āēr = ar; terra = terra; aqua = água. Características: calidus (-a, -um) = quente, quente; siccus (-a, -um) = seco; hūmidus (-a, -um) = húmido, húmido; frīgidus (-a, -um) = frio

Esta abordagem tem sido usada há séculos como base para as ciências naturais. Só muito mais tarde se reconheceu que a temperatura não depende dos quatro elementos, mas do movimento das moléculas – um conceito que só foi desenvolvido nos tempos modernos pela teoria dos gases cinéticos.

Aristóteles: O calor como antagonista do frio

Aristóteles expandiu as ideias de Empédocles e estabeleceu um modelo em que o calor e o frio agiam como princípios opostos. Ele acreditava que todo material possuía naturalmente um certo “calor natural” ou “frieza natural” que poderia ser alterado por influências externas. De acordo com Aristóteles, o calor estava associado ao aumento (por exemplo, ar quente ou chamas), enquanto o frio levava à compressão e ao arrefecimento.

Aristóteles atribuiu propriedades específicas aos quatro elementos:
Fogo: quente e seco
Água: fria e húmida
Terra: fria e seca
Ar: quente e húmido

“Os Quatro Elementos” na Catedral Imperial de Königslutter

Estas classificações formaram a base para a sua compreensão do calor e do frio como propriedades fundamentais da matéria.

Estas ideias têm sido usadas há séculos na medicina, alquimia e filosofia natural. A temperatura desempenhou um papel importante, especialmente na medicina humoral de Hipócrates e Galeno – acreditava-se que o equilíbrio de sucos “quentes” e “frios” no corpo determinava a saúde.

Da filosofia à metrologia

Embora as teorias antigas ainda não permitissem medições precisas, elas lançaram as bases para a compreensão científica da temperatura. A ideia de que calor e frio são quantidades naturais e mensuráveis acabou levando ao desenvolvimento dos primeiros dispositivos de medição de temperatura nos séculos 16 e 17.

Hoje sabemos que a temperatura é uma consequência do movimento de átomos e moléculas – um conceito que pouco tem a ver com ideias antigas. No entanto, permanece a perceção de que, há mais de 2000 anos, os filósofos tentaram explicar a temperatura sistematicamente.

A invenção dos primeiros termómetros

Século 16 – Galileu Galilei e o termoscópio (c. 1593)

No final do século 16, a pesquisa sistemática sobre medição de temperatura começou. Um dos primeiros desenvolvimentos significativos foi o termoscópio, que é atribuído a Galileu Galilei (ca. 1593). Na verdade, a autoria exata é contestada, já que outros cientistas, como Giambattista della Porta, também descreveram dispositivos semelhantes. O que é certo, no entanto, é que Galileu desenvolveu ainda mais o conceito e o utilizou pela primeira vez para observações físicas.

Retrato de Galileu Galilei, pintado por Domenico Tintoretto (1602–1607)

O termoscópio era um dispositivo simples que podia tornar visíveis as mudanças de temperatura. Consistia em uma bola de vidro cheia de ar que conduzia através de um tubo estreito para um vaso de água. Quando o ar na esfera aqueceu, expandiu-se e empurrou a água para baixo no tubo. Quando o ar arrefeceu, contraiu-se e a água voltou a subir. Embora isso tenha permitido que uma mudança na temperatura fosse observada qualitativamente, não havia uma escala uniforme para determinar valores medidos com precisão.

Termoscópio de Galileu Galilei no Musée des Arts et Métiers

Um grande problema com o termoscópio era que ele reagia não só à temperatura, mas também a mudanças na pressão do ar. Esta dependência dificultou as medições exatas e mais tarde levou ao desenvolvimento de termómetros com líquidos como álcool ou mercúrio que funcionavam independentemente da pressão ambiente.

Apesar destas limitações, o termoscópio foi um marco significativo. Ele lançou as bases para os desenvolvimentos posteriores da termometria e inspirou cientistas como Santorio Santorio, que foi o primeiro a aplicar uma escala para registrar numericamente as diferenças de temperatura. Assim, o termoscópio foi a primeira tentativa de tornar as mudanças de temperatura sistematicamente visíveis.

O século 17 – Os primeiros termômetros escalados por Santorio Santorio e Fernando II de Médici

No século 17, grandes avanços foram feitos na medição de temperatura. Embora o termoscópio de Galileu Galilei já fosse capaz de visualizar as mudanças de temperatura, faltava uma escala para obter valores mensuráveis. Dois cientistas desempenharam um papel importante na história da termometria: Santorio Santorio e Fernando II de Médici.

Santorio Santorio: O Primeiro Termômetro em Escala (ca. 1612)

O médico e cientista italiano Santorio Santorio (1561-1636) foi um dos primeiros a desenvolver um termômetro com uma escala . Santorio era conhecido por seu trabalho em metrologia médica e combinou o princípio do termoscópio com uma escala numérica para permitir comparações objetivas de temperatura.

Seu termômetro consistia em um tubo de vidro cheio de álcool e equipado com uma balança. No entanto, ainda não era completamente independente da pressão do ar, de modo que as flutuações no ambiente poderiam influenciar os resultados da medição. No entanto, foi um passo decisivo, uma vez que permitiu, pela primeira vez, registar e comparar quantitativamente as alterações de temperatura. Santorio usou seu termômetro especialmente na medicina para medir a temperatura corporal – um precursor do termômetro clínico moderno.

Ferdinand II von Medici: O primeiro termômetro líquido fechado (ca. 1654)

Outro grande passo em frente veio de Fernando II de Médici (1610-1670), Grão-Duque da Toscana e um entusiasta naturalista. Sob seus auspícios, pesquisadores da Accademia del Cimento desenvolveram um termômetro que usava álcool ou vinho como líquido de medição .

O que tornou este termómetro especial foi o facto de ter um capilar selado em comparação com os dispositivos anteriores, o que o tornou menos afetado pelas flutuações da pressão do ar. Representou, assim, um passo importante para o desenvolvimento de escalas de temperatura estáveis.

Termômetro Medici do livro “Saggi di Naturali Esperienze

Os termômetros Medici lançaram as bases para o trabalho posterior de Daniel Gabriel Fahrenheit, que inventou o termômetro de mercúrio no século 18.

O trabalho de Santorio Santorio e Ferdinand II de Medici marcou um primeiro ponto de viragem na história da medição de temperatura.

O primeiro termômetro escalonado de Santorio e o termômetro líquido avançado, que foi menos afetado pela pressão do ar, abriram caminho para escalas de temperatura posteriores e o desenvolvimento de instrumentos de medição mais precisos.

Primeiras tentativas de escala de temperatura

Com o desenvolvimento dos primeiros termômetros no século 17, surgiu a necessidade de tornar as medições de temperatura comparáveis. Sem uma escala uniforme, os dados de temperatura eram puramente relativos e dependentes de instrumentos de medição individuais. As primeiras tentativas de definir uma escala de temperatura vieram de diferentes cientistas que usaram diferentes pontos de referência.

Ole Rømer e a primeira escala de temperatura documentada (1701)

O astrônomo e físico dinamarquês Ole Rømer (1644-1710) foi um dos primeiros a desenvolver uma escala sistemática de temperatura. Sua escala fixou o ponto de congelamento da água em 7,5° e o ponto de ebulição em 60° . Isso tornou as medições de temperatura reprodutíveis pela primeira vez.

No entanto, a escala de Rømer tinha algumas desvantagens: a escolha de seus pontos fixos era arbitrária, e a divisão não era particularmente prática. No entanto, foi um passo importante para a padronização da medição de temperatura.

Escala de Temperatura de Isaac Newton (1701)

Quase ao mesmo tempo, Isaac Newton (1643-1727) propôs uma escala de temperatura mais orientada para a experiência prática.

Retrato de Sir Isaac Newton, Escola Inglesa, c. 1715–1720

Em vez de usar pontos fixos absolutos, como o ponto de congelamento ou ebulição da água, Newton orientou-se para os fenómenos de temperatura do dia-a-dia e atribuiu-lhes valores numa escala. Seus cerca de 20 pontos de escala incluíam, entre outras coisas , “ar frio no inverno” como um ponto de referência baixo e “carvões brilhantes no fogo da cozinha” como um ponto fixo superior.

Mais tarde, Newton definiu a temperatura da neve derretida (0°) como um ponto de referência e mediu outras temperaturas relativas a ela com base na extensão do mercúrio.

A escala de Newton destinava-se principalmente a fins científicos e mais tarde foi substituída por escalas mais precisas. No entanto, foi importante no caminho para a termometria moderna.

Desenvolvimento de escalas de temperatura uniformes

O básico para escalas mais precisas

As primeiras escalas de temperatura ainda não eram universalmente padronizadas. Diferentes pesquisadores usaram diferentes pontos fixos, e muitas escalas foram baseadas na experiência subjetiva. As escalas, como as de Ole Rømer (1701) ou Isaac Newton (1701), também não estavam longe. Com o desenvolvimento da termometria no século 18, tornou-se claro que uma escala de temperatura uniforme era necessária.

Foi apenas no século 18 que cientistas como Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius e René Antoine Ferchault de Réaumur conseguiram desenvolver escalas universalmente aceitas, que eventualmente se tornaram a base da medição de temperatura moderna.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Termômetro de mercúrio e escala de Fahrenheit

Em 1724 , o físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) introduziu uma das primeiras escalas de temperatura padronizadas, que ainda hoje é usada nos EUA, por exemplo. Além da balança, ele também desenvolveu o primeiro termômetro de mercúrio confiável, que permitiu medições mais precisas do que os termômetros de álcool anteriores.

O termómetro de mercúrio – medições mais precisas

Fahrenheit experimentou pela primeira vez termômetros de álcool, mas descobriu que o álcool congela em baixas temperaturas e se expande de forma desigual em temperaturas mais altas. Por isso, começou a usar o mercúrio como líquido medidor.

Os benefícios do mercúrio:

  • Permanece líquido em uma ampla faixa de temperatura (-39°C a 357°C).
  • Expande-se linearmente, permitindo medições mais precisas.
  • Não evapora facilmente, o que prolonga a vida útil do termómetro.

Com essas propriedades, o termômetro de mercúrio tornou-se o método padrão para medições de temperatura na ciência e tecnologia.

A Escala de Fahrenheit – Três Pontos Fixos para Medições de Temperatura

Fahrenheit estabeleceu três pontos fixos para sua escala de temperatura:

  • 0°F: A temperatura mais baixa que ele criou com uma mistura de gelo, água e amônia
  • 32 °F: Ponto de congelação da água
  • 96 °F: Temperatura corporal de uma “pessoa saudável”
  • 212 °F: Ponto de ebulição da água

Estes pontos fixos permitiram uma escala reprodutível que funcionou independentemente de termómetros individuais.

A escala de Fahrenheit rapidamente se estabeleceu na Inglaterra e nas colônias britânicas , mas foi substituída pela escala Celsius na maioria dos países durante os séculos 19 e 20. Hoje, é usado quase exclusivamente nos Estados Unidos .

A Escala de Réaumur (1730)

Em 1730, o cientista francês René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) desenvolveu uma escala de temperatura para termômetros de álcool que foi usada por muito tempo na França e em partes da Europa.

Escala de Réaumur de Observations sur la Construction des Thermomètres

Características da escala de Réaumur

  • 0 °Ré: Ponto de congelação da água
  • 80 °Ré: Ponto de ebulição da água

Réaumur escolheu uma classificação em 80 graus, pois assumiu que o álcool se expande linearmente com a temperatura. No entanto, esta suposição acabou por ser imprecisa, uma vez que os líquidos se expandem de forma diferente a diferentes temperaturas.

A escala de Réaumur foi utilizada principalmente em França, Itália e Rússia , mas tornou-se cada vez menos importante com a introdução da escala Celsius .

Anders Celsius (1742) – escala Celsius

O astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744) desenvolveu uma nova escala de temperatura em 1742 , que mais tarde se tornou um padrão internacional . Ao contrário da escala de Fahrenheit, Celsius usou uma divisão decimal que permitiu um manuseio intuitivo.

A escala Celsius

Em seu trabalho Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer , Celsius propôs uma escala de temperatura com dois pontos fixos à pressão normal:

  • 0 °C: O ponto de ebulição da água.
  • 100 °C: O ponto de congelação da água.

Este escalonamento inverso foi incomum no início. Após a morte de Celsius em 1744 , seus alunos, especialmente Carl von Linnaeus (1707-1778), defenderam uma inversão da escala. Como resultado, o ponto de congelamento foi fixado em 0 °C e o ponto de ebulição em 100 °C – uma ordem mais intuitiva que se estabeleceu em todo o mundo.

Benefícios da escala Celsius

A escala Celsius tinha duas grandes vantagens em relação às escalas de temperatura anteriores:

  • Fácil de usar: A divisão decimal em 100 passos facilitou medições e cálculos.
  • Pontos fixos precisos: A escala foi baseada nas propriedades físicas da água (à pressão normal), que eram reprodutíveis em todos os lugares.

Escala Celsius e seu significado hoje

Hoje, a escala Celsius é uma das escalas de temperatura mais utilizadas como graus Celsius (°C) e é usada como padrão para medições de temperatura em quase todos os países. Apenas nos EUA e em alguns países a escala de Fahrenheit ainda é utilizada.

A escala Celsius também forma a base para a escala Kelvin (K), que é usada na ciência. Aplica-se o seguinte:

0 °C = 273,15 K (Kelvin começa no zero absoluto).

A introdução da escala Celsius foi outro grande passo na termometria. Graças ao seu layout simples, pontos fixos claros e manuseio intuitivo, rapidamente se tornou um padrão internacional. Embora o próprio Anders Celsius não tenha vivido para ver o escalonamento de hoje, seu trabalho é um dos desenvolvimentos mais importantes na história da medição de temperatura.

A Escala Kelvin (1848)

Em 1848 , o físico escocês William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907) introduziu a primeira escala de temperatura absoluta . A escala de Kelvin (K) baseia-se no zero absoluto, o menor valor de temperatura possível no qual todos os movimentos térmicos param. A escala de Kelvin (1848) é a primeira escala de temperatura absoluta cientificamente fundamentada.

Características da escala Kelvin:

  • 0 K: Zero absoluto (-273,15 °C).
  • 273,15 K: Ponto de congelação da água (0 °C).
  • 373.15 K: Ponto de ebulição da água (100 °C).

A escala Kelvin é particularmente usada em ciências, física e termodinâmica , pois é independente de pontos fixos específicos, como a água, e é baseada no movimento energético das partículas .

A escala Kelvin é agora a escala de temperatura oficial do Sistema Internacional de Unidades (SI). Uma grande vantagem do Kelvin é que ele permite valores de temperatura sem números negativos.

Fontes

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Viviani, V. (1654). Racconto istorico della vita del Sig. Galileu Galilei

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Academia do Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Middleton, W. E. K. (1966) – Uma História do Termômetro e seu Uso em Meteorologia

Newton, (1701) – Scala graduum CalorisTransações filosóficas da Royal Society

Fahrenheit, D. G. (1724) – Experimenta et Observationes de Congelatione AquaeTransações Filosóficas da Royal Society.

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometerKungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.

Thomson, W. (1848) – Em uma escala termométrica absolutaPhilosophical Magazine

Direitos de imagem

“Quatro Elementos da Alquimia”, domínio público, disponível no Wikimedia Commons

“Os Quatro Elementos” na Catedral Imperial de Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), Domínio público, tomado por Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15 de fevereiro de 2012

Retrato de Galileu Galilei, pintado por Domenico Tintoretto (1602–1607), foto do Museu Marítimo Nacional, Greenwich, Londres, disponível no Wikimedia Commons

Foto do termoscópio de Galileu Galilei no Musée des Arts et Métiers, tirada por Chatsam, licenciada sob CC BY-SA 3.0disponível no Wikimedia Commons

Termômetro Medici – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Retrato de Sir Isaac Newton, Escola Inglesa, c. 1715–1720, Wikimedia Commons

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres


Thomas Klasmeier

Sobre o promotor

Thomas Klasmeier trabalha como metrologista e engenheiro há mais de 20 anos, com foco na medição precisa de temperatura. Como empresário , ele dirige um laboratório de calibração de temperatura e produz termômetros de precisão.

Além disso, ele está muito feliz em compartilhar seu conhecimento. Ele aparece regularmente como orador em seminários e conferências para transmitir e discutir seus conhecimentos. É também autor do livro – Table Book Temperature –