Il 15 ottobre è cominciato il periodo di accensione del riscaldamento centralizzato nei condomini della maggior parte delle città italiane. Si avvicina l'inverno, e con esso il freddo. Oggi possiamo dirlo grazie al termometro, presente ormai in ogni casa e automobile.
Ma cos'è il freddo? E cos'è il caldo? Queste sono due domande che per secoli assillarono gli scienziati. Trovare le due risposte, avrebbe permesso di arrivare al concetto di energia e della sua conservazione.
Nell'articolo verranno utilizzati i termini dei periodi affrontati, e non di quelli seguenti. Ciò ci permette di cogliere il processo di formazione delle idee scientifiche nel tempo.
La ricerca del freddo
Per millenni il caldo venne distinto dal freddo: la fonte del caldo era ovvia, il Sole e il fuoco, mentre l'origine del freddo era un mistero. Che il caldo e il freddo di per sé non esistano, ma siano una diversa reazione soggettiva dei nostri sensi a un diverso stato energetico della materia, misurabile in modo oggettivo, è una conquista della scienza del XIX secolo. Nei secoli precedenti ci si chiedeva: da dove arriva il freddo?
Il filosofo greco Plutarco (50-120) metteva la fonte del freddo al centro della Terra. Dante Alighieri (1265-1321) aveva un'idea simile quando nel XXXIV canto dell'Inferno colloca Lucifero al centro del nostro pianeta immerso nel ghiaccio. Per Aristotele (384-322 p.e.V.) la fonte del freddo era l'acqua. Nel Nord Europa del XVII secolo si pensava che il freddo avesse origine nell'isola mitica di Thule, sita a sei giorni di navigazione a Nord della Gran Bretagna.
Ancora ai primi del secolo non si riusciva a comprendere il freddo ordinario dell'inverno: perché l'acqua diventava neve e ghiaccio? Il freddo non poteva essere misurato, neanche descritto se non come assenza di caldo, e non poteva essere prodotto quando non era presente.
Il mago che creò il freddo
Nell'estate del 1620 l'olandese Cornelis Drebbel (1572-1633), inventore che costruì il primo sottomarino della storia, dimostrò al re d'Inghilterra e Scozia Giacomo I di essere in grado di creare dentro l'Abbazia di Westminster un freddo simile a quello dell'inverno: provocò una corrente d'aria fredda che stupì i presenti.
Drebbel si presentava a Giacomo I come mago, e non come scienziato: non si sa come abbia fatto a produrre correnti d'aria fredda e morì portando con sé il segreto. Francis Bacon (1561-1626), filosofo e politico inglese, forse lo capì: "quando il nitro e il sale vengono aggiunti alla neve o al ghiaccio il freddo si intensifica, il nitro aggiunge il suo proprio freddo". Anche per l'abate matematico francese Pierre Gassend (1592-1655) l'origine del freddo era nel salnitro.
Il salnitro non è altro che nitrato di potassio (KNO3), un ingrediente della polvere da sparo: mescolato con sale e neve genera una reazione chimica endotermica che assorbe calore dall'esterno, provocando il freddo.
Molti alchimisti del periodo conoscevano questa tecnica, utilizzata probabilmente da Drebbel. L'alchimista italiano Giambattista della Porta (1535-1615), amico di Keplero e Galileo e indagato dall'Inquisizione nel 1579, scriveva che, mescolando la neve con il salnitro, si produceva un freddo due volte più freddo di ogni altra sostanza. Freddo in grado di produrre ghiaccio.
Lo scienziato che capì il freddo
Lo sperimentatore che fece più di tutti nel campo del freddo nel XVII secolo fu colui che scrisse il primo libro di chimica, The sceptical chymist, l'irlandese Robert Boyle (1627-1691). Egli si rammaricava del fatto che il freddo fosse stato quasi totalmente trascurato dagli autori classici. Molti dei lavori su questo stato della materia vennero condotti dal chimico irlandese durante il rigido inverno del 1662 e confessò poi di non aver mai trovato nella filosofia naturale (la scienza fisica) un fenomeno così difficile da studiare.
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| Robert Boyle |
Boyle indagò ogni aspetto del freddo. Consigliò di non affidarsi alla massima di Aristotele sull'evidenza dei sensi, e ricordò che l'acqua tiepida fatta scorrere su una mano calda dà il senso del freddo. Misurò in tutte le stagioni la temperatura di certi laghi, che molti inglesi giuravano essere più freddi d'estate che d'inverno. Mostrò invece che la temperatura di quei laghi era molto più bassa in inverno, e ne concluse che la testimonianza dei nostri sensi facilmente ci inganna.
Confutato Aristotele, dimostrando che c'erano metalli più freddi dell'acqua, venne il momento di farlo con Plutarco. Lo sviluppo dell'industria mineraria aveva rivelato che la temperatura aumentava con la profondità; per Boyle era probabile l'esistenza del fuoco nel cuore della Terra, e non del freddo. Ma poté fare tutte queste esperienze perché aveva il termometro, la cui origine è in Italia.
Dal termoscopio al termometro
La misura è essenziale alle scienze fisico-matematiche, perché è il mezzo con cui è possibile fare confronti quantitativi tra fenomeni diversi sulla base di una qualche proprietà comune misurabile. Il processo di misurazione implica una unità di misura e uno strumento di misura.
All'inizio del XVIII secolo gli scienziati erano in grado di misurare il tempo, il peso, la lunghezza, ma non erano in grado di misurare calore e temperatura, perché mancavano strumenti e concetti. Prima del XIX secolo il calore veniva dagli artigiani sulla base di un'esperienza tramandata per generazioni. Nell'Ottocento la teoria scientifica termodinamica permise di capire i processi nei quali è coinvolto il calore e di tramandare con la scrittura questa comprensione. Mentre l'esperienza dell'artigiano era locale, la teoria scientifica divenne universale.
La nozione di una scala del caldo e del freddo risalirebbe al medico greco Galeno (129-216), e sua sarebbe anche l'idea di usare la temperatura di un misto di acqua e ghiaccio e quella d'ebollizione dell'acqua come i due punti fissi della scala termometrica. È probabile che la mancanza di una tecnologia sofisticata della lavorazione del vetro abbia impedito al medico greco di realizzare la sua idea.
Antichi sperimentatori, come Erone di Alessandria che costruì la prima ruota a energia eolica, avevano dimostrato l'espansione dell'aria con il calore. Le idee di Galeno ed Erone erano conosciute da Galileo Galilei (1564-1642) e dal suo collega e professore di medicina a Padova, Santorio Santorio (1561-1636).
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| Copia del termoscopio di Galileo Galilei |
Questi fornì un proprio progetto di termometro ad aria al costruttore di strumenti Giovanni Francesco Sagredo (1571-1620). Era un lungo tubo di vetro, riempito parzialmente d'acqua, che terminava con un bulbo pieno d'aria, una specie di fiaschetto con il collo lungo messo al contrario in un'ampolla contenente acqua: quando l'aria del bulbo si espandeva per effetto del calore, il livello dell'acqua del tubo scendeva; quando si contraeva per effetto del raffreddamento, il livello dell'acqua saliva.
Più che un termometro, era un termoscopio, perché rilevava ma non misurava le variazioni di temperatura, mancando di una scala con punti fissi; permetteva però di dare una valutazione grossolana della variazione di temperatura. Sagredo costruì parecchi termoscopi e, usandoli d'inverno, giunse alla scoperta che con eccitazione comunicò all'amico Galileo: "La cosa meravigliosa, per esempio, è che in inverno l'aria potrebbe essere più fredda del ghiaccio o della neve".
Lo strumento ad aria di Sagredo e Galileo risentiva della pressione atmosferica: questo inconveniente venne eliminato nel 1654 con l'invenzione del Granduca Ferdinando II de' Medici (1610-1670) di un termometro sigillato contenente alcool.
Boyle ottenne un esemplare del termometro fiorentino e il suo assistente Robert Hooke (1635-1703) sarebbe stato uno dei primi a graduarlo. Due secoli prima del fisico inglese James Prescott Joule (1818-1889), Hooke concepì il calore come "agitazione" delle molecole e non come sostanza.
Fahrenheit e Celsius
Affinché il termometro possa essere usato come strumento di misura deve avere due punti fissi e una scala. Il poliedrico scienziato inglese Isaac Newton (1642-1727) fissò lo zero nel punto di congelamento dell'acqua. Nel 1702 a Copenhagen l'astronomo Ole Rømer (1644-1710), che aveva già calcolato la velocità della luce, costruì un termometro con due punti fissi, e in base a suoi complicati calcoli fissò i numeri di 7,5 per il punto di fusione del ghiaccio e di 60 per il punto di ebollizione.
L'apparente stranezza di questi numeri riflette la difficoltà di fissare una scala affidabile di temperature che rappresentasse nel modo più preciso possibile la variazione della temperatura che si voleva misurare.
Sei anni dopo il fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) ebbe occasione di visitare Rømer in Danimarca. Nato a Danzica, Fahrenheit era stato messo in un orfanotrofio a quindici anni, dopo la morte improvvisa dei genitori per avvelenamento da funghi. I suoi custodi lo mandarono in Olanda per fare apprendistato in una compagnia contabile; fuggito molte volte, contro di lui venne emesso un mandato d'arresto.
Ciò che Rømer potrebbe aver fatto a favore di Fahrenheit, oltre che eccitare i suoi interessi per gli strumenti di misura, fu di riuscire a togliergli il mandato di cattura, perché come sindaco di Copenhagen aveva influenza sulle autorità olandesi.
Fahrenheit divenne costruttore di strumenti e adottò e modificò la scala di Rømer. I numeri dell'astronomo danese non erano adatti per le frazioni; in alternativa Fahrenheit elaborò una scala fissando il punto di fusione del ghiaccio a 32 gradi e la temperatura del sangue umano (ritenuto all'epoca costante) a 96: in questo modo i numeri chiave dei due punti fissi erano divisibili per quattro, e il termometro era più facile da utilizzare, e quindi da vendere.
Come liquido il fisico tedesco adottò il mercurio al posto dell'alcool. Nel 1724 venne eletto membro straniero della Royal Society e si trasferì a Londra. Sebbene i suoi termometri fossero acquistati e usati in tutta Europa, egli morì in povertà: tutto quello che aveva guadagnato lo aveva speso nei suoi laboratori per inventare nuovi strumenti.
Nel 1742 l'astronomo svedese Anders Celsius (1701-1744) fissò a 0 gradi la temperatura di fusione del ghiaccio in acqua e a 100 gradi quella dell'acqua in ebollizione; introdusse una scala centigrada, semplificando quindi ulteriormente l'utilizzo del termometro. All'inizio del XIX secolo era finalmente disponibile a scienziati e ingegneri un potente strumento per studiare e controllare i processi industriali: il termometro.
