La storia della termometria: dagli inizi alla precisione

Introduzione – Storia della Termometria

La temperatura è una delle grandezze fisiche più importanti nella nostra vita quotidiana. Senza una misurazione precisa della temperatura, molte cose sarebbero più complicate o addirittura pericolose. Ma non è sempre stato così. Per secoli l’uomo non ha avuto modo di misurare con precisione la temperatura. Solo con lo sviluppo dei primi termometri nel XVI e XVII secolo ebbe inizio una nuova era della scienza e della tecnologia. Come si sono evoluti i termometri nel tempo? Quali traguardi hanno portato la misurazione della temperatura al livello di precisione odierno?

Perché è importante misurare la temperatura?

La temperatura influenza la nostra vita quotidiana più di quanto spesso pensiamo. Dall’indossare la giacca al mattino alla preparazione del caffè perfetto fino al controllo del riscaldamento in inverno: molte cose sarebbero poco pratiche o addirittura pericolose senza una misurazione precisa della temperatura.

Anche in cucina la temperatura gioca un ruolo fondamentale. Durante la cottura o la panificazione, determina il sapore e la consistenza. Una bistecca è perfetta solo quando raggiunge la giusta temperatura interna, mentre il cioccolato si scioglie alla temperatura corporea: ecco perché si scioglie così piacevolmente sulla lingua. Il caffè è buono solo se è abbastanza caldo, ma non così tanto da bruciarti la lingua.

La temperatura è importante non solo quando si prepara il cibo, ma anche quando lo si conserva. Il frigorifero deve essere sufficientemente freddo da mantenere freschi gli alimenti, ma non così freddo da far congelare frutta e verdura.

La misurazione della temperatura è indispensabile in ambito sanitario. Quando abbiamo la febbre, il termometro ci dà subito una valutazione se si tratta di un innocuo raffreddore o di una malattia più grave.

Spesso basta una rapida occhiata al termometro per decidere come vestirci o quali attività svolgere. Se fuori fa freddo, ci vestiamo pesantemente; quando la temperatura è alta, indossiamo abiti leggeri. Anche la temperatura è un fattore determinante per la nostra sicurezza sulle strade: a temperature inferiori allo zero può formarsi del ghiaccio nero.

In definitiva, la misurazione della temperatura è un aiutante invisibile che rende la nostra vita più sicura, più confortevole e più sana. Che sia a colazione, al lavoro o per strada, determina molte decisioni senza che ce ne accorgiamo.

Breve panoramica della storia della termometria

La misurazione della temperatura ha una storia molto antica. Già nell’antichità gli studiosi cercarono di comprendere il caldo e il freddo, ma solo nel XVI e XVII secolo apparvero le prime scale misurabili. Intorno al 1593 Galileo Galilei sviluppò il primo termoscopio, che rendeva visibili le variazioni di temperatura, ma non forniva ancora valori precisi. Nel XVIII secolo, ricercatori come Fahrenheit, Celsius e Réaumur introdussero scale di temperatura precise che gettarono le basi per i moderni metodi di misurazione. Con la rivoluzione industriale emersero nuove tecnologie, come il termometro a mercurio, i termometri a resistenza elettrica e, più tardi, i sensori digitali.

Oggi, la Scala Internazionale della Temperatura del 1990 (ITS-90) consente misurazioni della temperatura estremamente precise e uniformi a livello globale. Si basa su punti fissi definiti, tra cui il punto triplo dell’acqua (0,01 °C) .

Per misurazioni ad alta precisione vengono utilizzati i termometri a resistenza di platino standard (SPRT) , che consentono di effettuare misurazioni con un’accuratezza nell’ordine dei microkelvin.

La storia della termometria mostra come osservazioni originariamente semplici siano diventate uno standard scientifico.

Primi tentativi di misurazione della temperatura

Prima che esistessero i termometri, le persone dovevano stimare le differenze di temperatura in modo semplice e spesso soggettivo. Nell’antichità non esistevano scale o metodi di misurazione precisi, ma diverse culture svilupparono metodi per valutare approssimativamente il caldo e il freddo.

Il metodo più semplice: sentire con la mano

Il modo più ovvio per valutare la temperatura era il tatto. Le persone tenevano le mani esposte al sole, all’acqua o al vento per sentire il caldo o il freddo. Ma questo metodo è soggetto a errori: la nostra pelle si adatta rapidamente alle temperature, quindi spesso percepiamo solo differenze relative.

L’espansione dell’aria come indicatore precoce della temperatura

Già nell’antichità gli studiosi avevano osservato che l’aria si espande quando è calda e si contrae quando è fredda. Sebbene non si conosca una persona specifica che abbia fatto questa osservazione, i primi scienziati sfruttarono questo principio per sviluppare semplici dispositivi basati sull’espansione dell’aria.

Significato medico: La temperatura del corpo

Nella medicina antica, la temperatura ha svolto un ruolo importante nella storia della termometria. Il medico greco Ippocrate (ca. 460–370 a.C.) raccomandava di valutare la temperatura del paziente toccandogli la fronte o le mani. Si trattava di una delle prime forme di diagnosi utilizzate ancora oggi in medicina, nonostante oggi disponiamo di termometri per misurare la febbre.

Sebbene i metodi dell’antichità fossero rudimentali, gettarono le basi per gli sviluppi successivi. L’osservazione dell’espansione dell’aria portò in seguito allo sviluppo del termoscopio e la valutazione medica della temperatura dimostrò l’importanza della termometria nella vita di tutti i giorni.

Prime considerazioni teoriche nell’antichità (ad esempio da parte di filosofi come Empedocle o Aristotele)

Molto prima che esistessero i termometri, gli antichi filosofi si interessavano ai concetti di caldo e freddo. Poiché non disponevano ancora di metodi di misurazione fisica, interpretavano la temperatura basandosi su fenomeni naturali e principi filosofici. Due dei pensatori più importanti in questo campo furono Empedocle (V secolo a.C.) e Aristotele (IV secolo a.C.) , le cui idee influenzarono il pensiero scientifico per secoli.

Empedocle: la teoria dei quattro elementi e la temperatura come proprietà della materia

Nella storia della termometria, Empedocle fu uno dei primi filosofi a cercare di spiegare la natura attraverso gli elementi fondamentali. Sviluppò la teoria dei quattro elementi, secondo la quale tutto è costituito dalle quattro sostanze fondamentali: fuoco, acqua, aria e terra. Il calore era associato al fuoco e all’aria, mentre il freddo all’acqua e alla terra. Secondo questa teoria, la temperatura non è una grandezza fisica indipendente, ma una proprietà degli elementi stessi.

Questo approccio è stato utilizzato come base per le scienze naturali per secoli. Solo molto più tardi si capì che la temperatura non dipende dai quattro elementi, ma dal movimento delle molecole, un concetto che fu sviluppato solo in epoca moderna attraverso la teoria cinetica dei gas.

Aristotele: il calore come controparte del freddo

Aristotele ampliò le idee di Empedocle e sviluppò un modello in cui il caldo e il freddo agivano come principi opposti. Credeva che ogni materiale possedesse naturalmente un certo “calore naturale” o “freddo naturale” che poteva cambiare a causa di influenze esterne. Secondo Aristotele, il calore era associato all’ascesa (ad esempio all’aria calda o alle fiamme), mentre il freddo portava alla condensazione e al raffreddamento.

Aristotele attribuì proprietà specifiche ai quattro elementi:
• Fuoco: caldo e secco
• Acqua: fredda e umida
• Terreno: freddo e asciutto
• Aria: calda e umida

Queste classificazioni costituirono la base per la sua comprensione del calore e del freddo come proprietà fondamentali della materia.

Queste idee sono state utilizzate in medicina, alchimia e filosofia naturale per secoli, durante tutta la storia della termometria. La temperatura svolgeva un ruolo particolarmente importante nella medicina umorale di Ippocrate e Galeno: si riteneva che l’equilibrio tra fluidi “caldi” e “freddi” nel corpo determinasse la salute.

Dalla filosofia alla scienza della misurazione

Sebbene le antiche teorie nella storia della termometria non consentissero ancora misurazioni precise, gettarono le basi per la comprensione scientifica della temperatura. L’idea che il caldo e il freddo siano grandezze naturali e misurabili portò infine allo sviluppo dei primi strumenti di misurazione della temperatura nel XVI e XVII secolo.

Oggi sappiamo che la temperatura è una conseguenza del movimento degli atomi e delle molecole, un concetto che ha poco a che fare con le idee antiche. Tuttavia, nella storia della termometria è rimasta la consapevolezza che i filosofi hanno cercato di spiegare la temperatura in modo sistematico più di 2000 anni fa.

L’invenzione del primo termometro

Il XVI secolo – Galileo Galilei e il termoscopio (ca. 1593)

Verso la fine del XVI secolo ebbe inizio nella storia della termometria lo studio sistematico della misurazione della temperatura. Uno dei primi sviluppi significativi fu il termoscopio, attribuito a Galileo Galilei (ca. 1593) . In realtà, la paternità esatta è controversa, poiché anche altri scienziati, come Giambattista della Porta, descrissero dispositivi simili. Ciò che è certo, tuttavia, è che Galileo sviluppò ulteriormente il concetto e lo utilizzò per la prima volta per osservazioni fisiche.

Il termoscopio era un dispositivo semplice che consentiva di rendere visibili le variazioni di temperatura. Consisteva in una sfera di vetro piena d’aria, che attraverso uno stretto tubo entrava in un recipiente pieno d’acqua. Quando l’aria nella palla si riscaldava, si espandeva e spingeva verso il basso l’acqua contenuta nel tubo. Quando l’aria si raffreddò, si contrasse e l’acqua risalì. Sebbene ciò abbia reso possibile osservare qualitativamente un cambiamento di temperatura per la prima volta nella storia della termometria, non esisteva una scala uniforme per determinare misurazioni precise.

Uno dei maggiori problemi del termoscopio era che non reagiva solo alla temperatura, ma anche alle variazioni della pressione dell’aria. Questa dipendenza rese difficili le misurazioni accurate e portò in seguito allo sviluppo di termometri che utilizzavano liquidi come l’alcool o il mercurio, che funzionavano indipendentemente dalla pressione ambiente.

Nonostante queste limitazioni, il termoscopio ha rappresentato una pietra miliare importante. Ha posto le basi per i successivi sviluppi della termometria e ha ispirato scienziati come Santorio Santorio, che è stato il primo ad aggiungere una scala per registrare numericamente le differenze di temperatura. Il termoscopio fu quindi il primo tentativo di rendere visibili sistematicamente le variazioni di temperatura.

Il XVII secolo – I primi termometri a scala di Santorio Santorio e Ferdinando II de Medici

Nel XVII secolo si fecero grandi progressi nella storia della termometria. Sebbene il termoscopio di Galileo Galilei fosse già in grado di rendere visibili le variazioni di temperatura, non disponeva di una scala per ottenere valori misurabili. Due scienziati hanno avuto un ruolo importante nella storia della termometria: Santorio Santorio e Ferdinando II de’ Medici .

Santorio Santorio: Il primo termometro in scala (ca. 1612)

Il medico e scienziato italiano Santorio Santorio (1561–1636) fu uno dei primi nella storia della termometria a sviluppare un termometro con scala . Santorio era noto per il suo lavoro nel campo della metrologia medica e combinò il principio del termoscopio con una scala numerica per consentire confronti oggettivi della temperatura.

Il suo termometro era costituito da un tubo di vetro riempito di alcol e dotato di una scala. Tuttavia, non era ancora completamente indipendente dalla pressione dell’aria, per cui le fluttuazioni ambientali potevano influenzare i risultati delle misurazioni. Tuttavia, si è trattato di un passo avanti decisivo, perché per la prima volta è stato possibile registrare e confrontare quantitativamente le variazioni di temperatura. Santorio utilizzò il suo termometro soprattutto in medicina per misurare la temperatura corporea : fu un precursore del moderno termometro per la febbre.

Ferdinando II de’ Medici: Il primo termometro a liquido chiuso (ca. 1654)

Un altro grande progresso venne da Ferdinando II de’ Medici (1610–1670) , Granduca di Toscana e appassionato scienziato naturalista. Sotto il suo patrocinio, i ricercatori dell’Accademia del Cimento svilupparono un termometro che utilizzava alcol o vino come fluido di misurazione .

Ciò che rendeva speciale questo termometro era il fatto che, rispetto ai dispositivi precedenti, aveva un capillare sigillato , il che lo rendeva meno influenzato dalle fluttuazioni della pressione dell’aria. Ha quindi rappresentato un passo importante nella storia della termometria verso lo sviluppo di scale di temperatura stabili.

I termometri Medici gettarono le basi per il lavoro successivo di Daniel Gabriel Fahrenheit , che inventò il termometro a mercurio nel XVIII secolo.

Il lavoro di Santorio Santorio e Ferdinando II de’ Medici segnò una prima svolta nella storia della misurazione della temperatura.

Il primo termometro con scala di Santorio e il più avanzato termometro a liquido , meno influenzato dalla pressione atmosferica, aprirono la strada alle successive scale di temperatura e allo sviluppo di strumenti di misura più precisi.

Storia della Termometria: Prime Scale di Temperatura

Con lo sviluppo dei primi termometri nel XVII secolo, nella storia della termometria emerse l’esigenza di rendere comparabili le misurazioni della temperatura. Senza una scala uniforme, le letture della temperatura erano puramente relative e dipendevano dai singoli strumenti di misurazione. I primi tentativi di definire una scala di temperatura vennero da diversi scienziati che utilizzarono punti di riferimento diversi.

Ole Rømer e la prima scala di temperatura documentata (1701)

L’astronomo e fisico danese Ole Rømer (1644–1710) fu uno dei primi a sviluppare una scala di temperatura sistematica. La sua scala fissava il punto di congelamento dell’acqua a 7,5° e quello di ebollizione a 60° . Ciò ha reso riproducibili per la prima volta le misurazioni della temperatura.

Tuttavia, la scala di Rømer presentava alcuni svantaggi: la scelta dei punti fissi era arbitraria e la divisione non era particolarmente pratica. Ciononostante, si è trattato di un passo importante verso la standardizzazione della misurazione della temperatura.

La scala di temperatura di Isaac Newton (1701)

Quasi nello stesso periodo , Isaac Newton (1643–1727) propose una scala di temperatura maggiormente basata sull’esperienza pratica.

Invece di utilizzare punti fissi assoluti come il punto di congelamento o di ebollizione dell’acqua, Newton fu il primo nella storia della termometria a orientarsi sui fenomeni quotidiani della temperatura e ad assegnare loro valori su una scala. I suoi circa 20 punti di scala includevano “l’aria fredda in inverno” come punto di riferimento basso e “i carboni ardenti nel fuoco della cucina” come punto fisso superiore.

In seguito, Newton utilizzò come punto di riferimento la temperatura della neve che si scioglieva (0°) e misurò altre temperature relative a questa sfruttando l’espansione del mercurio.

La scala di Newton era concepita principalmente per scopi scientifici e fu in seguito sostituita da scale più precise. Tuttavia, ebbe un ruolo importante nel cammino verso la termometria moderna.

sviluppo di scale di temperatura uniformi

Le basi per bilance più precise

Le prime scale di temperatura non erano ancora universalmente standardizzate. Diversi ricercatori hanno utilizzato punti di fissazione diversi e molte scale si basavano sull’esperienza soggettiva. Erano in fase di sviluppo scale come quelle di Ole Rømer (1701) o di Isaac Newton (1701) . Con l’ulteriore sviluppo della termometria nel XVIII secolo, divenne chiaro che nella storia della termometria era necessaria una scala di temperatura uniforme.

Solo nel XVIII secolo scienziati come Daniel Gabriel Fahrenheit , Anders Celsius e René Antoine Ferchault de Réaumur riuscirono a sviluppare scale generalmente accettate, che alla fine divennero la base della moderna misurazione della temperatura.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Termometro a mercurio e scala Fahrenheit

Nel 1724, il fisico tedesco Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) introdusse una delle prime scale di temperatura standardizzate, utilizzata ancora oggi, ad esempio, negli Stati Uniti. Oltre alla bilancia, sviluppò anche il primo termometro a mercurio affidabile , che consentiva misurazioni più accurate rispetto ai precedenti termometri ad alcol.

Il termometro a mercurio – Misurazioni più precise

Inizialmente Fahrenheit sperimentò con i termometri ad alcol , ma scoprì che l’alcol congela a basse temperature e si espande in modo non uniforme a temperature più elevate. Per questo motivo cominciò a utilizzare il mercurio come fluido di misura.

I benefici del mercurio:

• Rimane liquido in un ampio intervallo di temperature (da -39 °C a 357 °C).
• Si espande linearmente , consentendo misurazioni più accurate.
• Non evapora facilmente , il che prolunga la durata del termometro.

Grazie a queste proprietà, il termometro a mercurio è diventato il metodo standard per la misurazione della temperatura in ambito scientifico e tecnologico.

La scala Fahrenheit – Tre punti fissi per le misurazioni della temperatura

Fahrenheit stabilì tre punti fissi per la sua scala di temperatura:

• 0 °F : la temperatura più bassa raggiunta con una miscela di ghiaccio, acqua e idrossido di ammonio
• 32 °F : punto di congelamento dell’acqua
• 96 °F : Temperatura corporea di una “persona sana”
• 212 °F : punto di ebollizione dell’acqua

Questi punti fissi consentivano una scala riproducibile che funzionava indipendentemente dai singoli termometri.

La scala Fahrenheit divenne rapidamente popolare in Inghilterra e nelle colonie britanniche , ma fu sostituita dalla scala Celsius nella maggior parte dei paesi durante il XIX e il XX secolo. Oggigiorno è utilizzato quasi esclusivamente negli Stati Uniti .

La scala Réaumur (1730)

Nel 1730, lo scienziato francese René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) sviluppò una scala di temperatura per termometri ad alcol che fu utilizzata a lungo in Francia e in alcune parti d’Europa.

Caratteristiche della scala Réaumur

• 0 °Ré : punto di congelamento dell’acqua
• 80 °Ré : punto di ebollizione dell’acqua

Réaumur scelse una divisione in 80 gradi perché presupponeva che l’alcol si espandesse linearmente con la temperatura. Tuttavia, questa ipotesi si è rivelata imprecisa perché i liquidi si espandono in modo diverso a diverse temperature.

La scala Réaumur fu utilizzata principalmente in Francia, Italia e Russia , ma perse importanza nella storia della termometria con l’introduzione della scala Celsius .

Anders Celsius (1742) – Scala Celsius

Nel 1742, l’astronomo e fisico svedese Anders Celsius (1701–1744) sviluppò una nuova scala di temperatura, che in seguito divenne lo standard internazionale . A differenza della scala Fahrenheit, la scala Celsius utilizzava una divisione decimale , che consentiva un utilizzo intuitivo.

La scala Celsius

Nella sua opera Observationer om twänne ständiga grader på en thermometer, Celsius propose una scala di temperatura con due punti fissi a pressione normale:

• 0 °C : Punto di ebollizione dell’acqua .
• 100 °C : Punto di congelamento dell’acqua .

Inizialmente questa inversione di scala era insolita. Dopo la morte di Celsius nel 1744, i suoi studenti, in particolare Carl von Linné (1707–1778), si batterono per l’inversione della scala, un evento speciale nella storia della termometria. In questo modo il punto di congelamento venne fissato a 0 °C e quello di ebollizione a 100 °C : un ordine più intuitivo che venne accettato in tutto il mondo.

Vantaggi della scala Celsius

La scala Celsius presentava due grandi vantaggi rispetto alle precedenti scale di temperatura:

• Facile da usare: la divisione decimale in 100 incrementi semplifica le misurazioni e i calcoli.
• Punti fissi precisi: la scala si basava sulle proprietà fisiche dell’acqua (a pressione normale), riproducibili ovunque.

La scala Celsius e il suo significato oggi

Oggi la scala Celsius, espressa in gradi Celsius (°C), è una delle scale di temperatura più ampiamente utilizzate e viene utilizzata come standard per le misurazioni della temperatura in quasi tutti i paesi. Soltanto negli USA e in alcuni paesi si utilizza ancora la scala Fahrenheit.

La scala Celsius costituisce anche la base della scala Kelvin (K), utilizzata in ambito scientifico. Si applica quanto segue:

0 °C = 273,15 K (la temperatura Kelvin parte dallo zero assoluto).

Un altro passo importante nella termometria fu l’introduzione della scala Celsius . Grazie alla sua struttura semplice, ai punti fissi chiari e all’uso intuitivo, è diventato rapidamente lo standard internazionale. Sebbene Anders Celsius non sia vissuto abbastanza a lungo da vedere l’attuale scalabilità, il suo lavoro rappresenta uno degli sviluppi più importanti nella storia della misurazione della temperatura.

La scala Kelvin (1848)

Nel 1848, il fisico scozzese William Thomson, Lord Kelvin (1824–1907) introdusse la prima scala di temperatura assoluta . Un passo significativo nella storia della termometria! La scala Kelvin (K) si basa sullo zero assoluto , la temperatura più bassa possibile alla quale cessa ogni moto termico. La scala Kelvin (1848) è la prima scala di temperatura assoluta fondata scientificamente.

Caratteristiche della scala Kelvin:

• 0 K : Zero assoluto (-273,15 °C).
• 273,15 K : Punto di congelamento dell’acqua (0 °C).
• 373,15 K : punto di ebollizione dell’acqua (100 °C).

La scala Kelvin è utilizzata soprattutto in ambito scientifico, fisico e termodinamico perché è indipendente da punti fissi specifici e si basa sul movimento energetico delle particelle .

La scala Kelvin è oggi la scala di temperatura ufficiale del Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI) . Un grande vantaggio della scala Kelvin è che ammette valori di temperatura senza numeri negativi.

Progressi nel XIX e XX secolo

Con l’avvento della scienza e della tecnologia moderne, il XIX e il XX secolo hanno portato grandi progressi nella misurazione della temperatura. In particolare, sono state sviluppate nuove scale di temperatura e la ricerca si è concentrata su metodi di misurazione più precisi e su nuove tecnologie .

In particolare, l’introduzione della termometria a resistenza di platino e delle termocoppie migliorò la misurazione della temperatura a livello industriale e scientifico e portò a importanti progressi nella storia della termometria.

Sviluppo dei termometri a resistenza (Siemens & Callendar, 1871–1887)

L’introduzione dei termometri a resistenza elettrica alla fine del XIX secolo rappresentò un notevole progresso nella misurazione della temperatura. Mentre in precedenza erano i termometri a liquido a prevalere, per la prima volta i termometri a resistenza hanno consentito misurazioni della temperatura altamente precise e riproducibili. Due scienziati hanno avuto un ruolo centrale in questo sviluppo:

• Werner von Siemens (1871) : Primi esperimenti con termometri a resistenza basati sul platino.
• Hugh Longbourne Callendar (1887) : Perfezionamento dei metodi di misurazione e introduzione dei termometri a resistenza al platino (PRT) per applicazioni scientifiche.

Werner von Siemens (1871): Primi concetti di termometria a resistenza

L’inventore e ingegnere tedesco Werner von Siemens (1816–1892) fu il primo a rendersi conto nel 1871 che la resistenza elettrica di un filo cambia con la temperatura e può essere utilizzata come variabile di misura. Suggerì di utilizzare i metalli come sensori di temperatura perché la loro resistenza aumenta con la temperatura in modo prevedibile.

Inizialmente la Siemens utilizzò fili di rame e di ferro , ma scoprì che questi materiali non erano sufficientemente stabili per lunghi periodi di tempo. Pertanto continuò il suo lavoro di sviluppo con il platino come materiale di resistenza .

Callendar (1887): Il platino come materiale ideale per i termometri a resistenza

Nel 1887, il fisico britannico Hugh Longbourne Callendar (1863–1930) perfezionò la termometria a resistenza e sviluppò il primo termometro a resistenza al platino (PRT) di precisione .

Perché il platino?
Callendar, come Werner von Siemens, scoprì che il platino era ideale per i termometri a resistenza perché:

• Offre la massima stabilità per lunghi periodi di tempo.
• Mostra un aumento della resistenza quasi lineare con la temperatura.
• Ha un elevato punto di fusione (1768 °C) ed è adatto ad ampi intervalli di temperatura.

Ha determinato una relazione resistenza-temperatura e ha sviluppato un’equazione empirica per il calcolo della temperatura:

[
R_T = R_0 (1 + \alfa T)
]

Dove:

• ( R_T ) è la resistenza alla temperatura ( T ),
• ( R_0 ) la resistenza a 0 °C,
• ( \alpha ) è il coefficiente di temperatura del platino.

Questa equazione fu il primo approccio standardizzato alla misurazione della temperatura elettrica e in seguito divenne la base dei termometri a resistenza di platino (PRT) .

L’ equazione di Callendar-Van Dusen (equazione CvD) estende la formula empirica originale di Hugh Callendar e descrive la relazione non lineare resistenza-temperatura dei termometri a resistenza al platino (PRT) nell’intervallo da -200 °C a 850 °C , consentendo misurazioni della temperatura estremamente precise. Questo passaggio è di grande importanza nella storia della termometria, poiché la cosiddetta equazione di Callendar-Van Dusen è utilizzata ancora oggi.

Dal termometro di Callendar alla moderna termometria a resistenza

In seguito al lavoro di Callendar , i termometri a resistenza al platino (PRT) furono ulteriormente migliorati e in seguito stabiliti come termometri a resistenza al platino (SPRT) standard nella scala di temperatura internazionale (ITS-90) .

Sviluppi importanti nella storia della termometria:

• Introduzione di avvolgimenti di filo protetti per ridurre al minimo le sollecitazioni meccaniche.
• Stabilità a lungo termine migliorata grazie al platino ad elevata purezza.
• Ottimizzazione dei ponti di misura per misurare con precisione variazioni di resistenza estremamente piccole.

Oggigiorno i termometri a resistenza di platino sono i termometri elettrici più precisi.

Termocoppie

Le termocoppie rappresentano uno dei metodi più versatili per misurare la temperatura e sono utilizzate in tutto il mondo nell’industria, nella scienza e nella ricerca. Si basano sull’effetto Seebeck , scoperto per la prima volta nel XIX secolo.

L’effetto Seebeck – Basi delle termocoppie

Il fisico tedesco Thomas Johann Seebeck (1770–1831) scoprì nel 1821 che in un circuito chiuso costituito da due metalli diversi viene generata una tensione elettrica se i due punti di contatto hanno temperature diverse. Questo fenomeno è chiamato effetto Seebeck e costituisce la base delle termocoppie.

Principio:

• Una termocoppia è composta da due metalli diversi (spesso leghe) collegati ad entrambe le estremità.
• Una giunzione (punto di misura) viene riscaldata o raffreddata, mentre l’altra rimane a una temperatura di riferimento (la cosiddetta giunzione di riferimento della termocoppia o giunzione fredda).
• La differenza di temperatura crea una tensione elettrica direttamente correlata alla temperatura. Questa tensione è chiamata tensione termoelettrica.

Sviluppo e standardizzazione delle termocoppie

Dopo la scoperta di Seebeck, la tecnologia è stata ulteriormente sviluppata:

• 1826: Jean Charles Athanase Peltier scoprì l’effetto inverso (effetto Peltier), che dimostra che le correnti elettriche possono produrre differenze di temperatura.
• XX secolo: le termocoppie vengono standardizzate e ottimizzate per applicazioni industriali. Oggigiorno le termocoppie sono standardizzate secondo gli standard internazionali, ad esempio Ad esempio IEC 60584 e IEC 62460 .

Tipi comuni di termocoppie e loro proprietà

tipo	+ coscia	cosce	campo di misura in °C
T	Cu	CuNi	-270 … 400
J	Per me	CuNi	-210 … 1200
E	NiCr	CuNi	-270 … 1000
E	NiCr	Non	-270 … 1372
N	NiCrSi	NiSi	-200 … 1200
R	Pt13Rh	Punto	-50 … 1768
S	Pt10Rh	Punto	-50 … 1768
B	Pt30Rh	Pt6Rh	0 … 1820
C	W5Re	W26Re	0 … 2315
UN	W5Re	W20Re	0 … 2500
Vedere DIN EN 60584-1:2014-07

Vantaggi e svantaggi delle termocoppie

Vantaggi:
✔️ Intervallo di temperatura molto ampio (da -270 °C a 1820 °C).
✔️ Costruzione robusta, resistente alle vibrazioni e alle sollecitazioni meccaniche.
✔️ Tempi di risposta rapidi alle variazioni di temperatura.
✔️ Non è necessario alcun segnale di alimentazione esterno (autoenergia grazie all’effetto Seebeck).

Svantaggi:
❌ Precisione inferiore rispetto ai termometri a resistenza (SPRT, PRT) .
❌ La tensione termoelettrica non è lineare: sono necessarie tabelle di calibrazione o correzione.
❌ Le interferenze elettromagnetiche possono influenzare il segnale.

Le termocoppie rappresentano un metodo economico, robusto e versatile per misurare la temperatura e hanno dato prova della loro efficacia in numerose applicazioni industriali e scientifiche. Sebbene non raggiungano la precisione dei termometri a resistenza o degli SPRT, sono apprezzati per il loro basso costo, l’ampia gamma di applicazioni e gli elevati intervalli di temperatura .

Scale di temperatura internazionali

Per consentire misurazioni della temperatura uniformi in tutto il mondo, nel corso degli anni sono state sviluppate diverse scale di temperatura internazionali . Mentre i primi metodi di misurazione si basavano spesso su scale individuali, nella storia della termometria si è reso necessario creare un riferimento uniforme .

Già nel XIX secolo furono fatti i primi tentativi di basare le scale di temperatura su punti termodinamici fissi .

Scala internazionale dell’idrogeno (1887)

La scala internazionale dell’idrogeno fu introdotta nel 1887 e fu uno dei primi tentativi di stabilire una scala di temperatura uniforme su basi fisiche fondamentali . Si basava sulle proprietà di un termometro a gas che utilizzava l’idrogeno come gas di misurazione.

La bilancia a idrogeno utilizzava un termometro a gas a volume costante che determinava la temperatura in base alla variazione di pressione dell’idrogeno a volume costante. La base era la legge di Gay-Lussac , che afferma che la pressione di un gas ideale a volume costante cambia linearmente con la temperatura.

Scala Internazionale della Temperatura del 1927 (ITS-27)

La Scala Internazionale della Temperatura del 1927 (ITS-27) è stata la prima scala di temperatura definita ufficialmente ed è stata introdotta come standard mondiale per misurazioni precise della temperatura.

L’introduzione dell’ITS-27 da parte del Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) aveva lo scopo di creare una scala uniforme per la scienza e la tecnologia .

L’ITS-27 si basava sulla definizione di punti fissi di temperatura basati sulle transizioni di fase delle sostanze pure.

L’ITS-27 ha rappresentato un importante passo avanti perché ha definito per la prima volta una scala di temperatura precisa e uniforme a livello globale . È stato ampiamente utilizzato in applicazioni scientifiche e industriali.

Scala pratica internazionale della temperatura del 1948 (IPTS-48)

La Scala Pratica Internazionale della Temperatura del 1948 (IPTS-48) è stata introdotta come successore della ITS-27 per migliorare ulteriormente la misurazione della temperatura e adattarla alle nuove scoperte scientifiche.

Motivi dell’introduzione dell’IPTS-48
L’ITS-27 presentava alcuni punti deboli, in particolare:

• Imprecisioni a basse temperature perché i termometri a idrogeno non si comportano in modo ideale.
• Deviazioni di misurazione ad alte temperature causate dalla termometria a radiazione.
• Ulteriore sviluppo dei termometri a resistenza , che richiedevano una scala più precisa.

Con IPTS-48 è stata introdotta una definizione più precisa dei punti fissi e dei metodi di interpolazione .

Scala pratica internazionale della temperatura del 1968 (IPTS-68)

La Scala Pratica Internazionale della Temperatura del 1968 (IPTS-68) era una versione rivista della IPTS-48 e fu introdotta per migliorare ulteriormente la precisione della misurazione della temperatura . Fino all’introduzione della ITS-90, era la scala di temperatura accettata a livello mondiale.

Miglioramenti rispetto all’IPTS-48
L’IPTS-68 ha apportato diverse modifiche importanti:

• Nuovi punti fissi di temperatura , soprattutto a temperature molto basse e molto alte.
• Metodi di interpolazione ottimizzati per misurazioni della temperatura più accurate.
• Utilizzo esteso di termometri a resistenza al platino (PRT) per una determinazione più precisa della temperatura.

Svantaggi e sostituzione con l’ITS-90
Sebbene l’IPTS-68 consentisse misurazioni della temperatura più precise, erano noti alcuni problemi:

• Deviazioni di misura in determinati intervalli di temperatura.
• Tracciabilità non ideale alla scala di temperatura termodinamica .
• Diversi fattori di scala che hanno portato a piccole discrepanze nelle diverse applicazioni.

A causa di queste limitazioni, nel 1990 l’IPTS-68 venne sostituito dall’ITS-90 , che offre una migliore coerenza termodinamica e una maggiore precisione.

Termometria di precisione moderna

La misurazione della temperatura si è evoluta enormemente dai primi termoscopi e termometri a liquido. Mentre i termometri precedenti erano spesso imprecisi a causa di influenze esterne come fluttuazioni della pressione dell’aria o evaporazione, i moderni termometri di precisione consentono una determinazione della temperatura estremamente accurata fino all’ordine dei microkelvin.

Grazie a sensori altamente sviluppati, oggi è possibile misurare le temperature con una precisione di qualche milionesimo di grado . Lo sviluppo della Scala Internazionale della Temperatura (ITS-90) ha inoltre creato un sistema di riferimento uniforme per misurazioni della temperatura ad alta precisione.

I termometri a resistenza al platino standard (SPRT) sono i termometri a resistenza più precisi e costituiscono il principale strumento di interpolazione della Scala Internazionale della Temperatura del 1990 (ITS-90) , consentendo misurazioni della temperatura estremamente accurate da -200 °C a 961,78 °C .

Scala Internazionale della Temperatura (ITS-90)

La Scala Internazionale della Temperatura del 1990 (ITS-90) è il riferimento riconosciuto a livello mondiale per misurazioni della temperatura ad alta precisione. È stata introdotta dalla Commissione Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM) e sostituisce scale precedenti come la IPTS-68 (International Practical Temperature Scale del 1968). L’ITS-90 costituisce la realizzazione pratica della scala di temperatura termodinamica , stabilendo una serie di punti fissi definiti per la determinazione precisa della temperatura.

Con l’ ITS-90, i termometri a resistenza di platino standard SPRT sono stati specificati come strumenti di interpolazione nell’intervallo da 13,8033 K (punto triplo dell’idrogeno) a 961,78 °C (punto di congelamento dell’argento) .

L’ITS-90 è la scala di temperatura più precisa e standardizzata a livello internazionale e viene utilizzata in molti settori. Rappresenta l’attuale standard internazionale per misurazioni precise della temperatura. Con i suoi punti fissi di temperatura e gli strumenti di interpolazione, consente una determinazione uniforme e riproducibile della temperatura in tutto il mondo.

punti fissi di temperatura dell’ITS-90

NO.	Il 90 nella K	il 90 in °C	Materiale	Rappresentazione
1	Da 3 a 5	-270 a 268,15	Lui	GG
2	13,8033	-259,3467	L’ 2	TP
3*	circa 17	circa 256,15	L’ 2	GG
4*	circa 20,3	circa 252,85	L’ 2	GG
5	24,5561	-248,5939	Non	TP
6	54,3584	-218,7916	Il 2	TP
7	83,8058	-189,3442	Avere	TP
8	234,3156	-38,8344	Mercurio	TP
9	273,15	0,01	Acqua	TP
10	302,9146	29,7646	Ga	SP
11	429,7485	156,5985	In	EP
12	505,078	231,928	Senza	EP
13	692,677	419,527	Zinco	EP
14	933,473	660,323	Tutto	EP
15	1234,93	961,78	Ag	EP
16	1337,33	1064,18	Anch’io	EP
17	1357,77	1084,62	Cu	EP
Walter Blanke: La scala internazionale della temperatura del 1990: ITS-90DD = pressione di vapore TP = punto triplo SP = punto di fusione EP = punto di congelamento * = Sono disponibili diverse temperature

Misurazione di precisione SPRT di fascia alta – John P. Tavener e SPRT a punto fisso in rame

Basato sul lavoro di John P. Tavener (1942-2020), lo sviluppo di un nuovo termometro a resistenza al platino (SPRT) standard per il punto fisso della temperatura del rame ( 1084,62 °C ) rappresenta un punto alto preliminare nella storia della termometria. I precedenti SPRT erano limitati al punto fisso dell’argento ( 961,78 °C ) perché a temperature più elevate si verificavano problemi di stabilità del materiale e contaminazione. Tavener risolse questo problema utilizzando un supporto in zaffiro sintetico per l’avvolgimento in platino e un tubo protettivo in allumina alimentato da una leggera sovrapressione di ossigeno . Ciò impedisce la penetrazione di impurità e fornisce un ambiente di ossidazione stabile , necessario per il platino. Inoltre, il termometro è stato dotato di una tensione di polarizzazione di +9 V CC per migliorare le proprietà di isolamento e respingere attivamente i contaminanti ionici attraverso un campo elettrico.

Test condotti per diverse centinaia di ore a temperature fino a 1090 °C hanno dimostrato un’eccezionale stabilità a lungo termine con una deriva di soli 0,1 mK/h . Mentre i precedenti tentativi con tubi di protezione in zaffiro fallirono a causa delle sollecitazioni termiche, questo nuovo progetto ha mostrato una riproducibilità senza precedenti ed è quindi adatto alla caratterizzazione di celle a punto fisso con temperatura del rame con un’incertezza di misura mai raggiunta prima.

Con lo sviluppo di questo SPRT ad alta precisione per il punto fisso in rame, la storia della termometria raggiunge un momentaneo apice: dall’antichità, attraverso i primi semplici termoscopi, fino alla moderna termometria di precisione, che oggi consente misurazioni della temperatura con una precisione precedentemente irraggiungibile.

Fonti

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Pubblicato su PubMed. (1997). Aspetti storici della misurazione della temperatura in medicina – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9290139/

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StudySmarter – Elementi di Empedocle – https://www.studysmarter.de/schule/griechisch/griechische-philosophie-theorie/empedokles-elemente/

Chemie.de – Teoria dei quattro elementi – https://www.chemie.de/lexikon/Vier-Elemente-Lehre.html

Viviani, V. (1654). Racconto storico della vita del Sig. Galileo Galilei

L’invenzione del termometro e il suo design nel XVII secolo. Secolo – Burckhardt, Fritz – Basilea, 1867

Museo Galileo – Termoscopio – https://catalogue.museogalileo.it/object/Termoscopio.html

Bigotti, F. – Il peso dell’aria: i termometri di Santorio e la storia iniziale della quantificazione medica riconsiderati – https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6407691/

Italiano: Wikipedia. – Santorio Santorio – https://it.wikipedia.org/wiki/Santorio_Santorio

Accademia del Cimento (1667) – Saggi di Esperienze Naturali

Middleton, WEK (1966) – Una storia del termometro e il suo utilizzo in meteorologia

Newton, (1701) – Scala graduum Caloris – Philosophical Transactions della Royal Society

Fahrenheit, DG (1724) – Experimenta et Observationes de Congelatione Aquae – Philosophical Transactions della Royal Society .

Italiano: Osservazioni sulla costruzione dei termometri

Celsius, A. (1742) – Osservazioni sulle due temperature costanti su un termometro – Royal Swedish Veterinary Academy of Sciences Handling .

Thomson, W. (1848) – Su una scala termometrica assoluta – Rivista filosofica

Siemens, W. (1871) – Sull’aumento della resistenza nei conduttori con l’aumento della temperatura – Philosophical Transactions of the Royal Society

Callendar, HL (1887) – Sulla misurazione pratica della temperatura – Philosophical Transactions of the Royal Society .

Seebeck, TJ (1821) – Sulla polarizzazione magnetica dei metalli e dei minerali per differenza di temperatura

IEC 60584-1:2013 – Termocoppie – Parte 1: Specifiche e tolleranze EMF

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1948) – Rapporto sulla scala pratica internazionale della temperatura del 1948

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1968) – Scala pratica internazionale della temperatura del 1968

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BIPM. (2018). Guida alla realizzazione dell’ITS-90 .

Tavener, JP (2014) – Un nuovo termometro per la punta di rame – National Physical Laboratory

Tavener, JP (2013) – Ulteriori indagini sulle prestazioni dei termometri a resistenza standard con punto di rame – Tempmeko 2013

diritti di immagine

“Quattro elementi dell’alchimia”, di pubblico dominio, disponibile su Wikimedia Commons

“I quattro elementi” nella cattedrale imperiale di Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), di pubblico dominio, fotografato da Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15 febbraio 2012

Ritratto di Galileo Galilei, dipinto da Domenico Tintoretto (1602–1607), foto dal National Maritime Museum, Greenwich, Londra, disponibile su Wikimedia Commons

Foto del termoscopio di Galileo Galilei al Musée des Arts et Métiers, scattata da Chatsam, con licenza CC BY-SA 3.0 – disponibile su Wikimedia Commons

Termometro mediceo – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Esperienze Naturali

Ritratto di Sir Isaac Newton, scuola inglese, ca. 1715–1720 – Wikimedia Commons

Italiano: Osservazioni sulla costruzione dei termometri

Ritratto di René-Antoine Ferchault de Réaumur da ‘Galerie des naturalistes’ di Jules Pizzetta, 1893 – disponibile su Wikimedia Commons

Ritratto di Anders Celsius dipinto da Olof Arenius – Wikimedia Commons

Celsius, A. (1742) – Osservazioni sulle due temperature costanti su un termometro – Royal Swedish Veterinary Academy of Sciences Handling .

Ritratto di William Thomson – 1° Barone Kelvin – 1906 – Wikimedia Commons

Ritratto di Werner von Siemens fotografato da Giacomo Brogi – Wikimedia Commons

Ritratto di Hugh Longbourne Callendar – intorno al 1900 – fotografo sconosciuto – pubblico dominio – tramite Wikimedia Commons

Ritratto di Thomas Johann Seebeck – inizio XIX secolo, illustrato in “Goethe e il suo mondo” di Hans Wahl e Anton Kippenberg – 1932 – Wikimedia Commons