Fisicamente

di Roberto Renzetti

Roberto Renzetti

PREMESSA

        Se si fa riferimento alle cose che ho scritto nei precedenti lavori, si scopre che ho potuto trattare degli avanzamenti in ambito scientifico e tecnico a partire da singoli scienziati e/o tecnologi. Nell’Ottocento la situazione diventa molto più complessa e diventa praticamente impossibile seguire gli sviluppi in alcuni campi di ricerca facendo riferimento a singole persone. Per altri versi ho seguito in altre pagine i settori di maggiore sviluppo della fisica nell’Ottocento (essenzialmente elettromagnetismo e termodinamica). In questo lavoro vorrei invece soffermarmi di più sulle biografie scientifiche dei maggiori fisici non italiani a cavallo tra Settecento ed Ottocento, in pratica Rumford e Lazare Carnot, per poi passare ai fisici che hanno propriamente lavorato nell’Ottocento. E’ un modo di rivedere cose già discusse da altri punti di vista. Ogni volta che dovrò discutere di elaborazioni scientifiche in senso stretto, se già fatto, rimanderò agli articoli che ne discutono. Se invece l’argomento tecnico non è stato trattato lo farò con la massima attenzione.

        Mi rendo conto che questa operazione potrebbe suonare riduttiva in ambito di storia della scienza. Forse la localizzazione migliore di quanto qui scriverò sarebbe stata in note relative ai singoli scienziati e tecnologi. Per altri versi a qualcuno potrebbe invece interessare proprio quanto qui scriverò indipendentemente dai contributi scientifici specifici. In ogni caso questo lavoro servirà certamente da complemento a quanto già ho elaborato altrove.

        Avverto infine che seguirò le biografie per filoni di studio quando essi sono chiaramente rintracciabili e comunque inserirò la biografia di un fisico laddove mi sembrerà più opportuno ai fini del discorso su un singolo capitolo della fisica. Inizio dalle biografie degli scienziati dell’Ottocento che ebbero un ruolo di rilievo nella fondazione e sviluppo della termodinamica, della teoria cinetica dei gas, della termodinamica statistica.

IL CONTE RUMFORD

        Un personaggio che porta con sé il Settecento ed è un ottimo anfitrione dell’Ottocento è certamente Benjamin Thompson (1753 – 1814) che, come vedremo, sarà fatto Conte di Rumford per meriti scientifici e non solo.

        Benjamin Thompson nacque in una piccola comunità di contadini, Wobum, nel Massachusetts, uno dei primi stati federati americani. Apprese a leggere, scrivere e far di conto nelle scuole locali. A 13 anni iniziò a lavorare presso un importatore di tessuti (Appleton) nella città portuale di Salem sull’Atlantico. Nel 1769 iniziarono le lotte dei portuali e dei commercianti della Nuova Inghilterra contro le alte imposte pretese dall’Inghilterra. Vennero bloccate le importazioni con conseguente perdita di commerci ed affari e licenziamento di Thompson.  Da disoccupato Thompson si soffermò ad osservare la natura e si fece tre domande su fenomeni naturali: da dove si originano i venti ?; qual è il cammino che seguono i raggi di luce dalla sorgente ai corpi che investono ?; come opera il fuoco sulle sostanze ?. Nel 1769 riuscì ad ottenere un altro lavoro in un negozio di tessuti (Capen), questa volta proprio a Boston. La sua passione per il gioco con polvere da sparo provocò un inizio d’incendio nel negozio ed egli perse di nuovo il lavoro. Fu il medico di Woburn, il dottor Hay, che lo assunse come assistente. Da qui inizia l’interesse costante di Thompson non certo per la medicina ma per la scienza, anche per la conoscenza che fece di un altro giovane con le stesse sue inclinazioni (Loammi Baldwin). Certamente il giovane aveva conoscenze superiori a quelle dei suoi contemporanei, generalmente condannati al lavoro dopo quelle che oggi chiamiamo scuole elementari, tanto superiori che fu chiamato ad insegnare ai giovanetti del paese (un esperimento che fece loro rischiò di ucciderlo: provò a ripetere l’esperimento di Franklin dell’aquilone in un giorno di tempesta ed un fulmine quasi lo ammazzò). Questi eventi e la convinzione che la medicina non era certamente il suo futuro, decisero Hay a licenziare il giovane Thompson (1772). Fu così che il diciannovenne intraprese la carriera di insegnante ai giovanetti. Gli fu riconosciuta abilità nel lavoro tanto che, per interessamento di un pastore protestante (reverendo Walker), fu chiamato ad insegnare a Concord (cittadina conosciuta anche come Rumford) dove, oltre a Walker dominava il potente ricco proprietario terriero e politicante Rolfe. Questi, a sessant’anni, aveva sposato la figlia di Walker di 30 anni più giovane ed era morto qualche tempo dopo, proprio quando Thompson, di diciannove anni, si sistemava a Concord. Il bel giovane di 19 anni fece colpo sulla giovane e ricca vedova tanto che in 4 mesi ci celebrò il matrimonio e, a chi gli rinfacciava questo matrimonio come chiave del successo, Thompson rispondeva che lui non aveva sposato la vedova ma era stata lei a sposare lui. Questo matrimonio risolse ogni problema economico di Thompson che iniziò ad occuparsi di amministrare i suoi beni ed a frequentare personaggi influenti come il governatore Wenthworth che conquistò interessandolo a varie questioni ed imprese scientifiche. Il governatore fu conquistato da quanto faceva e gli proponeva Thompson tanto che lo nominò maggiore della milizia a soli 20 anni (1773) creando un grande malcontento in tutti gli altri militari. E’ di questo periodo una sua lettera all’amico Baldwin che cito perché ci propone l’antesignano dei problemi che hanno torturato i giovanetti come me negli anni Cinquanta e Sessanta del Novecento. Lo ripropongo come Thompson lo proponeva a Baldwin:

Una cisterna ha tre rubinetti di scarico, uno dei quali la svuota in quindici minuti, uno in trenta minuti e un’altro in sessanta. Domanda: quanto ci vuole per svuotare la cisterna se tutti e tre gli scarichi vengono aperti contemporaneamente ? [poiché non voglio far soffrire il prossimo, fornisco la risposta: 8 minuti e 57 secondi].

        Ma si era negli anni della Rivoluzione Americana, della lotta per l’indipendenza dall’Inghilterra. In questi anni occorreva dimostrare chiaramente da che parte si stava e Thompson lo fece schierandosi con i Tory e con l’assoluta fedeltà alla corona britannica contro gli insorti. Egli lavorò anche come spia presso i coloni rivoltosi e riuscì a mettersi contro l’intera comunità di Concord che lo accusò di

essere ostile alla libertà delle colonie. Dapprima fu assolto perché non vi erano prove ma ciò non bastò a molti rivoluzionari che lo consideravano comunque colpevole. Thompson, grazie al lavoro di intelligence che aveva messo in piedi, venne a sapere che una certa notte i più convinti rivoluzionari avrebbero marciato sulla sua casa, lo avrebbero catturato, spalmato prima di pece quindi di piume e cacciato dal paese. Conosciuto quanto si preparava, Thompson scappò via dalla casa, da moglie, figlia, suocero e non tornò più (1774). Riconosciuto come molto utile nell’attività di spionaggio fu reinviato a Woburn. Con base in questa cittadina tentò di offrire i suoi servigi al colonnello George Washington, alla testa dell’esercito dei coloni rivoltosi. Ma ormai la sua fama di spia era nota ed oggi ben documentata negli archivi britannici. Riuscì anche a realizzare l’inchiostro simpatico (acido gallotannico, ottenuto da quelle escrescenze delle foglie di quercia – noci di galla – fatte macerare in acqua e reso successivamente evidente mediante solfato ferroso), descritto per la prima volta da Gianbattista della Porta nel 1580, per le sue comunicazioni segrete da Woburn a Boston. Era sospettato ma non si riuscì a provare nulla. Ma i sospetti crebbero al punto che fu sottoposto a sorveglianza speciale e continua. A questo punto (fine 1775) maturò in Thompson l’idea di andarsene a Boston. Lì l’esercito inglese fu attaccato e non fu in grado di resistere, tanto che fu dato l’ordine di evacuare la città. Fu così che, all’età di 23 anni, nel 1776, Thompson lasciò Boston con destinazione Londra dove iniziò una brillante carriera politica e scientifica che lo porterà in giro per l’Europa e particolarmente in Germania.

        A Londra seppe manovrare bene le sue conoscenze della situazione americana, meglio di quanto qualsiasi governatore avesse mai raccontato. Queste sue abilità e conoscenze furono riconosciute in incarichi ufficiali fino a portarlo al sottosegretariato di Stato per il Dipartimento Settentrionale delle Colonie americane. Nonostante questi successi nella scalata a posti di potere, la sua passione scientifica non veniva meno, anzi si rafforzava  potendo dedicare ad essa molto più tempo. Per lungo tempo i suoi interessi si concentrarono sulla polvere da sparo che tanti problemi gli aveva creato da giovinetto. Si chiese e provò in laboratorio l’origine della forza esplodente della polvere da sparo (1778). Provò varie miscele e composizioni per ottenere il prodotto più favorevole utilizzando allo scopo il pendolo balistico che nel 1742 aveva ideato il matematico ed ingegnere della Compagnia delle Indie, Benjamin Robins.

        L’apparato di Thompson, mostrato in figura, permette di misurare la velocità di un proiettile sparato da un fucile mediante il semplice principio di conservazione della quantità di moto. Il proiettile, sparato dal fucile a destra, colpisce il bersaglio di legno a sinistra che si mette ad oscillare. Conoscendo la massa del proiettile, la massa del bersaglio, si risale facilmente alla velocità del proiettile misurando l’ampiezza dell’oscillazione del bersaglio. Questo era il metodo di Robins che fu modificato da Thompson a seguito di un ragionamento relativo alla tecnologia che era dietro alla costruzione dei fucili. Poiché la pallottola non aderiva perfettamente alla canna, parte della spinta della polvere andava dispersa nello spazio tra pallottola e canna. Quindi, per modificare il fucile risultava di maggior interesse studiare il rinculo del fucile invece che l’ampiezza di oscillazione del bersaglio. Pubblicò i suoi risultati sulle Philosophical Transactions of the Royal Society nel 1781 e tale pubblicazione gli permise l’ammissione alla stessa Royal Society nel medesimo anno.

        Thomson portò avanti i suoi studi sulla polvere da sparo per vari anni anche imbarcandosi su una nave da guerra. Ma l’aspetto d’interesse che merita di essere sottolineato è relativo al suo atteggiamento nei riguardi della tecnica. In un’epoca in cui i filosofi naturali non si sporcavano le mani guardando con un certo disprezzo coloro che lavoravano con le mani (era vero anche il viceversa), egli mise insieme le due cose e condusse la sua vita a continuo contatto con i fenomeni naturali tentando di comprenderli, razionalizzarli ed alla fine addirittura di ricavarne una qualche utilità per la vita di tutti i giorni.

        Thompson passò ancora attraverso varie vicende che lo videro commerciare con le Colonie, organizzare come tenente colonnello i Dragoni Americani del Re (Giorgio III) e recarsi allo scopo ancora in America. Purtroppo il suo nome è legato ad almeno un episodio vergognoso che racconto attraverso quanto scrive Brown (risulta anche che egli partecipò a varie razzie tra la popolazione civile per procurare cibo e provviste varie per l’esercito britannico).

La situazione di una città occupata durante l’imperversare della guerra non è mai invidiabile, ma Benjamin Thompson lasciò dietro di sé a Huntington (Long Island) ricordi in cui il colonnello Thompson appare come il diavolo incarnato. Rase al suolo la chiesa del villaggio e ne usò il legname per costruire fortificazioni; tagliò tutti i meli per farne legna da ardere, sebbene ci fossero altri boschi disponibili in abbondanza. Aggiungendo l’offesa al danno, prese le lapidi funerarie e le usò per costruire forni da pane, e mandò i suoi soldati in gita per la città per obbligare gli abitanti a comprare le pagnotte che avevano, impressi a rovescio sulla crosta, gli epitaffi dei loro cari. Il suo solo impegno degno di nota durante l’occupazione di Huntington fu respingere un attacco da parte di Benjamin Talmadge dalla costa del Connecticut: i particolari di questa azione sono riportati minuziosamente sia dagli informatori del generale George Washington, sia da Thompson nella lettera diretta a Lord George Germain a Londra.

        In ogni caso la Guerra d’Indipendenza americana stava concludendosi e nel 1783, insieme ad una moltitudine di navi di profughi e rifugiati, anche Thompson fece ritorno dall’America. Mediante diverse raccomandazioni al Re (che non lo avrebbe voluto) riuscì a farsi promuovere colonnello prima di andare in pensione a soli 30 anni. Ma, a questo punto, l’Inghilterra andava stretta al nostro avventuriero che fece il balzo nel continente e con millanterie varie si presentò ad alcune corti per ottenere favori. Ebbe udienza, anche qui, dietro raccomandazione, alla Corte di Baviera, dove l’elettore Carlo Teodoro lo volle come aiutante militare. Ma qui alcuni titolati locali chiesero all’elettore quali titoli presentava Thompson per avere quella carica. Fu così che Thompson tornò a Londra a richiedere i titoli a Giorgio III che in un batter d’occhio lo nominò Sir (sembra con la promessa che l’avventuriero avrebbe fatto la spia a Londra di quanto venisse a conoscere a Monaco). Ciò bastò all’elettore per tacitare le proteste e fu così che iniziò una lunga carriera di Thompson in Baviera.

        Arrivati in Baviera non seguo più nei dettagli la vita di Thompson, troppo piena di episodi, di avventure di ricerche molto varie e di invenzioni particolari e particolarissime. Mi soffermerò invece su quanto, in fisica, ha reso famoso Thompson, la parte relativa alla fondazione della termodinamica. Non dimenticherò comunque di elencare per sommi capi la mole di invenzioni e ricerche di Thompson.

        Uno degli incarichi che ebbe il colonnello Thompson dall’elettore era relativo al risparmio per il suo esercito che consumava moltissime risorse. Thompson, come al solito, affrontò il problema scientificamente. Prese visione del bilancio e si rese subito conto che il grosso della spesa, a parte i salari, era relativo a vestiario ed alimenti. La prima questione la risolse dando un’occupazione ai militari che si annoiavano nelle caserme. Essendo di provenienza contadina, li istruì meglio all’agricoltura e li mise a coltivare il cibo che avrebbero mangiato. Ma pensò anche a risparmiare sui combustibili per cucinare con delle osservazioni di enorme importanza fatte non empiricamente ma servendosi di un apposito calorimetro  per combustione da lui realizzato che misurava il calore sviluppato dai prodotti di

Il calorimetro di Thompson.  Dal basso entra il calore prodotto dalla combustione che, attraverso una serpentina, scalda l’acqua la cui temperatura viene rilevata da un termometro. Da notare che Thompson volle accertarsi che tutto il calore della combustione fosse ceduto all’acqua e, per realizzare ciò, si servì di un secondo calorimetro in serie al primo verificando che il termometro di questo secondo non mostrava aumenti di temperatura.

combustione inviati in una serpentina che attraversava dell’acqua, dalla temperatura della quale si risaliva alla resa di un tipo di combustione o di un altro. Il risultato delle ricerche di Thompson è oggi d’uso quotidiano. Osservò che nei camini la gran parte del calore andava ad arrostire il cuoco più che le vivande. Pensò quindi di chiudere la fiamma dentro un contenitore di modo che si potesse utilizzare solo quella che serviva da un’apposita bocca (il fornello, quello di cui si dispone oggi nelle cucine economiche ancora in uso in molti paesini).

La cucina di Thompson, in questo caso in uso nel Laboratorio Militare di Monaco. I fornelli (le aperture sul piano di lavoro) erano alimentati ciascuno, indipendentemente, da fuochi che si accendevano in basso (le finestrine in basso). Tali fuochi potevano essere alimentati a legna e/o a carbone.

        Conseguenza degli studi di Thompson sul risparmio nei cibi, a parte l’invenzione di una zuppa energetica e poco costosa (la zuppa Rumford), fu l’introduzione di vari modi differenti di cottura dei cibi con strumenti da cucina da lui inventati ed ancora oggi in uso: la pentola per cuocere i cibi a bagnomaria, il forno ed i fornelli a riscaldamento indiretto, la pentola a pressione.

           Intanto affrontava l’altro problema, quello dei tessuti con cui venivano vestiti i soldati. Egli studiò quali tessuti fossero più adatti per la truppa arrivando alla conclusione che dovevano essere quelli che avessero le maggiori caratteristiche di isolamento dal caldo e freddo (quanto dico è ancora molto generico perché era generico all’epoca di Thompson quando non si sapeva nulla di cosa è il calore). Egli intraprese allora lo studio dell’isolamento dei tessuti attraverso una lunga serie di esperienze di laboratorio. Allo scopo realizzò uno speciale termometro che gli permetteva di studiare le proprietà di vari tessuti in

Il termometro di Thompson detto di passaggio.  Un termometro vero e proprio era montato dentro una provetta. In questa venivano sistemate le sostanze da studiare ed il termometro risultava inserito in mezzo ad esse. Il termometro veniva poi messo in acqua bollente e si aspettava che esso raggiungesse una temperatura di circa 70°C. A questo punto toglieva il suo strumento dall’acqua bollente e lo immergeva in un bagno ghiacciato e calcolava il tempo impiegato dal mercurio a scendere dai 70°C ai 10°C. Più lentamente avveniva un tale passaggio,  più la sostanza risultava isolante.

differenti situazioni. La lunga ricerca sembrava dare un qualche risultato ma poi andava a finire nel nulla. Come influivano l’aria, l’umidità, … che erano nella provetta ? Era tutto molto complesso in un’epoca in cui non si sapeva nulla su queste proprietà. Ma, ad un certo punto, lavorando in un altro ambito, Thompson scoprì un fenomeno fondamentale per la comprensione del problema che lo aveva tenuto occupato per moltissimo tempo (e per molte altre questioni in sospeso in vari ambiti di studio): le correnti di convezione [il nome fu introdotto da William Prout nel 1834]:

Nel corso di una serie di esperimenti sulla comunicazione del calore, in cui ho avuto occasione di usare termometri di dimensioni fuori del comune … riempiti con vari tipi di liquido, avendone esposto uno pieno di alcool al calore più forte che poteva sopportare, lo misi poi a raffreddare su una finestra su cui per caso batteva il sole. Quando gettai uno sguardo sul suo tubo, che era completamente scoperto, … osservai qualcosa che mi sorprese e al tempo stesso mi interessò veramente moltissimo: vidi l’intera massa di liquido nel tubo correre velocemente con un moto rapidissimo in due direzioni opposte, su e giù al tempo stesso. Il bulbo del termometro, che è di rame, era stato costruito due anni prima che io trovassi il tempo per cominciare i miei esperimenti, essendo restato vuoto senza essere chiuso con un tappo c’erano entrate dentro alcune minuscole particelle di polvere, e queste particelle, intimamente mescolate all’alcool, quando erano illuminate dal raggio di sole diventavano perfettamente visibili … e col loro moto rivelavano i moti violenti da cui era agitato l’alcool nel termometro … Esaminando i moti dell’alcool con una lente trovai che la corrente ascendente occupava l’asse centrale del tubo e che scendeva lungo le pareti del tubo [citato da Brown, pag. 55].
 

        Questa scoperta fece capire a Thompson che per isolare un qualcosa occorreva evitare le correnti di convezione di un fluido. E così, trasferendo questa scoperta ai tessuti stabilì che era miglior isolante quel tessuto che manteneva intrappolata l’aria nei suoi interstizi impedendo le correnti di convezione.

        Ma Thompson era inarrestabile ed ebbe modo anche di occuparsi dell’illuminazione artificiale e del miglioramento dell’efficienza delle lampade. In definitiva l’Elettore di Baviera risultò soddisfatto dei suoi servigi tanto che, nel 1792, approfittando di contingenze favorevoli (morte dell’Imperatore Leopoldo e sua nomina a vice reggente), lo nominò conte del Sacro Romano Impero e Thompson scelse il nome di Concord, il nome di quella cittadina americana, nota anche come Rumford, da cui proveniva. Da questo momento Thompson divenne il conte Rumford anche se, proprio da questo momento, non risultò più in buona salute. Fece un viaggio in Italia di 16 mesi per riposare e riprendersi ma non riuscì nell’intento. Da questo momento dedicò le sue forze allo studio ed alla ricerca principalmente nel campo del calore.

        Prima di seguire è necessario dare un piccolo cenno alla teoria del calore che andava per la maggiore sul finire del Settecento, quella del calorico.

        E’ sempre facile sorridere di una teoria del passato mostratasi non rispondente ai fatti sperimentali ma anche oggi sfido gran parte delle persone colte a capire cosa è il calore. All’epoca era ritenuta una sostanza fluida, il calorico, in grado di penetrare nei corpi. In tal caso il corpo aumentava di volume perché era entrata dell’altra sostanza ed in più si scaldava proprio perché vi era entrato del calorico. Viceversa con il raffreddare: del calorico era uscito dalla sostanza con la conseguente diminuzione di volume della medesima. Il calorico veniva trattato come un fluido nel fenomeno dei vasi comunicanti. Un’esplosione, ad esempio, era pensata come un evento liberatore di calorico, in quanto da essa si produceva molto calore. Insomma, tutti i fatti noti entravano in questa spiegazione e  non si sentiva la necessità di una teoria alternativa(1). Ma Rumford, che lavorava con armi da fuoco, aveva notato un qualcosa di straordinario: un cannone che sparava con la palla in canna risultava, dopo l’esplosione, meno caldo di un cannone che sparava a salve. Cosa accadeva ? La cosa sembrava incomprensibile e comunque non in accordo con la teoria del calorico. Rumford fu tentato di abbracciare una teoria sul calore che anni prima aveva letto, quella dell’olandese Boerhaave che, nel suo Trattato sul fuoco (o Trattato di chimica flogistica) del 1732, aveva sostenuto che il calore, come il suono, era il prodotto della vibrazione di un corpo. Con questa teoria l’osservazione sul cannone si sarebbe spiegata: quando non c’era la palla il calore poteva espandersi più liberamente a velocità maggiore con la conseguenza di un maggior riscaldamento della canna del cannone medesimo. Questa sua insoddisfazione per la teoria del calorico e la conseguente adesione a quella del calore come vibrazione lo spinsero ad approfondire le ricerche sulla natura del calore. Fu fortunato perché il suo incarico alle dipendenze dell’elettore di Baviera lo portò ad occuparsi dell’artiglieria ed in particolare dell’alesatura dei cannoni. Fu qui che poté cercare il confronto fra le due teorie (calore come sostanza o come vibrazione ?). Scriveva Rumford:

Se l’esistenza del calorico fosse vera, sarebbe assolutamente impossibile per un corpo … comunicare continuamente questa sostanza ai vari altri corpi da cui è circondato senza che un po’ alla volta questa sostanza si esaurisse completamente. Una spugna piena d’acqua e appesa per un filo nel centro di una stanza piena di aria secca comunica, è vero, la sua umidità all’aria, ma presto l’acqua evapora e la spugna non può più cedere umidità. Invece una campana suona senza interruzione quando è colpita ed emette il suono tutte le volte che vogliamo senza la minima perdita percepibile. L’umidità è una sostanza, il suono no. È ben noto che due corpi rigidi strofinati l’uno contro l’altro producono molto calore. Possono forse continuare a produrne senza consumarsi? Lasciamo decidere ai risultati dell’esperimento [citato da Brown, pag.84].

        E’ con queste idee che Rumford iniziò a studiare scientificamente l’alesatura dei cannoni (la creazione all’interno di un blocco cilindrico metallico del foro per i

Modellino della sistemazione sperimentale per lo studio dell’alesatura dei cannoni. Nella stanza di sinistra vi erano due cavalli che mettevano in moto il gigantesco trapano che forava i cannoni nella stanza di destra.

Disegno di un dettaglio dell’apparato di figura precedente: la parte che riguarda il trapano che lavora sul cannone.

proiettili, mediante un lavoro di tornio). I risultati li pubblicò in un lavoro dal titolo: Sorgenti di calore eccitato dall’attrito (“An enquiry concerning the source of the heat which is excited by friction” in Philosophical Transactions, 1798, pp. 80-102). Scriveva Rumford:

Succede spesso che negli affari e nelle questioni ordinarie della vita si presenti l’occasione di contemplare alcune delle operazioni più curiose della natura, e spesso si possono eseguire interessantissimi esperimenti di filosofia senza difficoltà o spese, per mezzo di congegni inventati per gli scopi meramente meccanici delle arti e dei mestieri … Essendo recentemente impegnato nella supervisione dell’alesatura dei cannoni nei laboratori dell’arsenale militare di Monaco, fui colpito dall’abbondantissimo calore che un cannone di ottone acquistava nel breve tempo in cui veniva alesato, e dal calore ancora più intenso … dei trucioli metallici portati via dall’alesatura. Quanto più meditavo su questi fenomeni, tanto più mi apparivano curiosi e interessanti. Una indagine approfondita su di essi sembrava addirittura dare buone speranze di capire meglio la natura nascosta del calore per permetter4ci di formulare qualche congettura plausibile sull’esistenza o non esistenza del fluido igneo [il calorico, ndr]; un argomento su cui le opinioni dei filosofi sono state sempre molto discordi [citato da Brown, pagg.84-85].

        La teoria del calorico prevedeva che l’attrito tra due corpi risultasse come una sorta di spremitura di calorico dal materiale sfregato. Il tutto sembrava funzionare proprio come una spugna intrisa di liquido e l’esempio che si faceva era quello del maniscalco: quando iniziava a battere il ferro otteneva il suo riscaldamento ma, proseguendo a batterlo, non otteneva aumento di temperatura. Per ottenere ciò occorreva rimettere il ferro nella fornace. E l’analogia era proprio con la spugna che, quando ha esaurito l’acqua, occorre riempire alla fonte. Nel processo di alesatura sarebbe stato possibile evidenziare la spremitura del calorico dalla massa di ferro trapanata ? La misura la si poteva fare misurando la capacità termica di trucioli metallici espulsi e di quella di una uguale massa di metallo non ancora sottoposto all’alesatura: i trucioli avrebbero dovuto avere minore capacità termica. Fatte misure estremamente accurate e precise, le due capacità termiche risultarono le medesime. Ciò significava che durante l’alesatura non si perdeva calorico. L’esperimento di alesatura era così condotto da Rumford ed è importante spiegare questo passaggio a chi non ha pratica di laboratorio. E’ infatti sommamente difficile misurare le temperature dei corpi da studiare quando sono solidi. Come si dovrebbe procedere ? Far toccare con il bulbo del termometro una parte metallica ? In pratica tale procedimento non darebbe alcun risultato o ne darebbe tanti quanti sono i punti di contatto tra la minima superficie del bulbo interessata e l’altrettanto minima superficie metallica. Non vi era altro modo di procedere che quello ideato da Rumford: l’intero apparato di alesatura ed il metallo da alesare erano immersi in acqua e quella che si misurava era la variazione di temperatura dell’acqua. Rumford, in particolare, misurava il tempo necessario a mandare in ebollizione l’acqua, partendo dalla temperatura ambiente. Tale tempo, per differenti alesature e per quanto a lungo fossero portate avanti, era sempre lo stesso. Rumford concludeva che era inesauribile il calorico prodotto dall’alesatura. Scrisse:

Sarebbe difficile descrivere la sorpresa e lo stupore espressi dal comportamento degli spettatori quando vedevano una massa così grande di acqua fredda scaldata e portata effettivamente a ebollizione senza alcun fuoco. Sebbene non ci fosse nulla che potesse essere considerato sorprendente in questo fatto, eppure riconosco onestamente che mi procurava un tale piacere infantile che, se ci tenessi alla fama di filosofo austero, avrei dovuto certamente nascondere anziché manifestare   [citato da Brown, pag.86].

        Ma Rumford più avvertito dei nostri apprendisti stregoni, avvertiva gli spettatori ammutoliti che, comunque, non conveniva scaldare l’acqua in questo modo. Sarebbe stato molto più economico utilizzare la biada che manteneva in vita i cavalli che facevano ruotare il trapano come combustibile per scaldare l’acqua.

        In ogni caso questa esperienza non smontava la teoria del calorico anche se era ritenuto inesauribile ma l’inesauribilità era legata alla durata relativamente breve dell’esperimento. Quindi, se da un lato si diffuse la leggenda che questi esperimenti di Rumford avevano demolito la teoria del calorico, dall’altra parte mentre certamente possiamo affermare che questi esperimenti mostrano un nesso preciso tra movimento e calore, altrettanto certamente non disponiamo di misure che ci definiscano quanto calore corrisponde ad un determinato movimento del trapano(2).  Insomma, come osservò Joule, non è misurando il calore dal lavoro meccanico che capiamo cosa è il calore. Sarebbe l’analogo pretendere di capire cos’è l’elettricità dal fatto che essa scalda l’acqua. E’ comunque certo l’enorme contributo di Rumford nella comprensione di alcuni fenomeni che sono alla base del concetto di calore anche se lo stesso Rumford diceva di non aver capito la natura del calore:

Meditando sui risultati di tutti questi esperimenti, siamo naturalmente portati a porci quel grande problema che così spesso è stato oggetto di riflessione tra i filosofi; cioè: Che cosa è il calore? C’è qualcosa di simile a un fluido igneo? C’è qualcosa che si possa chiamare in modo appropriato calorico?

Abbiamo visto che una quantità considerevolissima di calore può essere suscitata dall’attrito fra due superfici metalliche ed emessa in una corrente continua o flusso in tutte le direzioni, senza interruzione o pausa, e senza segno alcuno di diminuzione o esaurimento.

Da dove viene il calore che era continuamente ceduto in questo modo nell’esperimento precedente? È stato fornito dalle piccole particelle metalliche, staccatesi dalle masse solide più grandi, perché venivano strusciate una contro l’altra? Come abbiamo visto finora probabilmente non è così.

È stato fornito dall’aria? È impossibile, perché in tre esperimenti il macchinario era immerso nell’acqua e quindi all’aria dell’atmosfera era completamente impedito l’accesso.

È stato fornito dall’acqua che circondava il macchinario? Evidentemente no, primo, perché l’acqua riceveva continuamente calore dal macchinario e non poteva contemporaneamente dare calore a un corpo e riceverne da questo stesso corpo; e, secondo, perché non c’è stata scomposizione chimica di alcuna parte di quest’acqua.

Se una scomposizione del genere avesse avuto luogo (il che non ci si poteva ragionevolmente aspettare) uno dei suoi fluidi componenti elastici (molto probabilmente aria infiammabile) sarebbe stato liberato contemporaneamente e sfuggendo nell’atmosfera sarebbe stato scoperto. Ma, sebbene io abbia spesso esaminato l’acqua per vedere se salivano da essa bolle d’aria e abbia perfino fatto preparativi per catturarle ed esaminarle se comparivano, non ho potuto vederne nessuna, né vi era alcun segno nell’acqua di una scomposizione di qualunque tipo né di altri processi chimici.

È possibile che il calore sia stato fornito per mezzo della sbarra di ferro all’estremità della quale era fissato l’alesatore di acciaio, o dal piccolo collo di bronzo duro per mezzo del quale il cilindro cavo era unito al cannone? Queste supposizioni sembrano perfino più improbabili delle precedenti, perché il calore uscì continuamente dal macchinario da entrambi i passaggi durante tutta la durata dell’esperimento.

E ragionando su questo soggetto non dobbiamo dimenticare di considerare la circostanza più degna di nota: la sorgente del calore generato per attrito in questi esperimenti appariva evidentemente inesauribile.

Non occorre aggiungere che qualunque cosa possa essere fornita senza limite a un qualsiasi corpo o sistema di corpi isolato non può assolutamente essere una sostanza materiale, e mi sembra estremamente difficile, se non addirittura impossibile, formarmi delle idee precise su qualcosa capace di essere eccitata e comunicata nel modo in cui il calore era eccitato e comunicato in questi esperimenti se non il MOTO.

Sono ben lungi dal pretendere di sapere come o con quali mezzi o espedienti meccanici viene eccitato, mantenuto e propagato nei corpi questo particolare tipo di moto che si è supposto costituisca il calore, e non mi prenderò la libertà di turbare il [lettore] con mere congetture, in particolare su un soggetto che, per tanti millenni, i filosofi più illuminati hanno cercato, ma invano, di comprendere.

Ma, sebbene il meccanismo del calore possa essere effettivamente uno di quei misteri della natura che sono al di là della capacità di comprensione dell’intelligenza umana, questo non dovrebbe assolutamente scoraggiarci e nemmeno diminuire il nostro fervore nei tentativi di indagine sulle leggi del suo funzionamento.

Fin dove possiamo arrivare in una qualsiasi delle vie che la scienza ci ha aperto davanti prima di essere avvolti nella fitta nebbia che da ogni parte chiude l’orizzonte dell’intelletto umano ? Fin dove il campo che ci è dato esplorare offre problemi ed interessi 
[citato da Brown, pagg.89-91].

        Come si vede Rumford ha discusso ogni ipotesi e si è soffermato su due evidenze fondamentali: il calore non può essere un qualcosa di materiale ed esso è provocato dal moto. Altro non dice ed è tanto insoddisfatto che si muoverà alla comprensione del calore ed alla confutazione del calorico attraverso altre esperienze. Una doveva risultare dirimente: se il calorico è una sostanza deve avere un peso e deve essere possibile rilevarlo.  Ma vi era anche un altro aspetto del problema da indagare: il fatto che il calorico penetrasse i corpi era considerata come una sorta di attrazione della materia verso di esso. E tale attrazione, considerata di tipo gravitazionale, risultava tanto maggiore quanto più il corpo difettava del calorico medesimo. Avvicinare una sbarra metallica ad una fonte di calore attraeva calorico nella parte più vicina alla fonte della sbarra; tale calorico si distribuiva poi nel resto della sbarra che ne aveva minore quantità rispetto a quello presente nell’estremità riscaldata: il processo proseguiva fin quando tutta la sbarra aveva lo stesso contenuto di calorico (era la spiegazione della conduzione del calore nei conduttori). Poiché l’attrazione era di tipo gravitazionale i corpi più densi dovevano attrarre maggior calorico di quelli meno densi con la conseguenza che sostanze più dense dovevano essere migliori conduttrici di calore. Ebbene sulle proprietà di isolamento, conduzione e relative densità Rumford condusse vari esperimenti descritti nel suo Propagazione del calore in varie sostanze (“An enquiry concerning the nature of heat and the mode of its communication” in Philosophical Transactions of the Royal Society, 1804, pag. 77). La conclusione che ne trasse era che se fosse vero che tanto maggiore è la densità quanto maggiore è la conducibilità allora, se si potesse fare l’esperimento nel vuoto, si ricaverebbe che, poiché nel vuoto non vi sono atomi, non vi è nulla in grado di attrarre il calorico con la conseguenza che il vuoto non può trasmettere il calore. Riuscì anche a realizzare un esperimento in cui si mostrava che il vuoto conduce il calore.

        Ma torniamo all’esperimento che Rumford realizzò per mostrare che il calorico non ha peso. Lo leggo direttamente da Brown (pagg. 92-93):

Mise acqua in una bottiglia, alcool in un’altra e in una terza mercurio e le chiuse ermeticamente. Le bottiglie avevano esattamente lo stesso peso. Rumford le mise in una stanza con una temperatura di circa 15°C e aspettò ventiquattro ore perché si formasse un equilibrio stabile nella temperatura. Controllò poi i pesi delle bottiglie e li trovò identici. Aperte le finestre della stanza fece scendere la temperatura a circa – 1 °C e con un preciso controllo la mantenne a questo livello per quarantotto ore. Trascorso questo tempo l’attenta pesatura delle bottiglie mostrò che messe sui piatti della bilancia erano ancora in equilibrio. Egli sapeva che i calori specifici di alcool e mercurio erano molto diversi e perciò le quantità di calore che i corpi emettevano raffreddandosi da 15°C a –  1°C erano diverse, molto più grandi per il mercurio col suo alto calore specifico che per l’alcool. Malgrado queste grandi differenze in quantità di calore, non si poté osservare una differenza misurabile di peso. L’acqua naturalmente si era gelata e aveva emesso una grande quantità di calore passando dallo stato liquido a quello solido. Questo calore latente, sebbene avesse un valore molto elevato, non cambiò il peso della bottiglia d’acqua rispetto al peso della bottiglia di alcool che non era congelata. Molti fisici suoi contemporanei ritenevano che Benjamin Thompson andasse troppo oltre quando affermava: «ogni tentativo per scoprire un effetto del calore sul peso apparente dei corpi sarà inutile ». Però nessuno fu in grado di migliorare il suo esperimento tanto da arrivare a una soluzione diversa.

        Di questi esperimenti, Rumford ne ideò e realizzò ancora molti altri ma non riuscì mai definitivamente a convincere un ambiente che aveva le sue certezze nella teoria del calorico. Serviva dell’altro per demolire questa teoria ed avviarsi sulla strada della moderna termodinamica.

        Sul finire del secolo Rumford si convinse della necessità di far conoscere i suoi lavori degli ultimi 11 anni al maggior numero di persone e per farlo si recò in Inghilterra, tradusse in inglese quanto aveva scritto e lo pubblicò in opuscoli con maggiore diffusione delle riviste scientifiche. Ebbe un grande successo ed entrò subito in società dove era richiesto come massimo filosofo naturale dell’epoca. Il successo lo convinse ad estendere quanto aveva fatto per l’esercito bavarese alla vita civile per aiutare il prossimo. Fu così che iniziò un suo lavoro di grande rilievo sull’efficienza dei caminetti con cui tutti si scaldavano con sprechi enormi di combustibile ed emissioni gigantesche di smog.

Un disegno che mostra Rumford scaldarsi davanti ad un suo caminetto.

         Il suo lavoro ha portato ai caminetti che sono in uso ancora oggi. A lui si deve lo sfruttamento della sua scoperta delle correnti di convezione nel riscaldamento. Introdusse nel caminetto la strozzatura della gola ed il deflettore del fumo che serviva a separare l’aria calda sul davanti del caminetto dall’aria fredda che doveva trovar posto sul retro della canna fumaria.

Disegno della sezione della canna fumaria con strozzatura di Rumford    

In alto la sezione della canna fumaria di un caminetto pre-Rumford; in basso la sezione della canna fumaria introdotta da Rumford

        Nel 1796 Rumford, ormai ricco, pensò di istituire un premio che avesse il suo nome e per far questo mise a disposizione una notevole somma sia della Royal Society di Londra che dell’American Academy of Arts and Sciences di Boston perché premiassero gli scienziati che nel corso degli ultimi due anni si fossero distinti. Nasceva così la Rumford Medal che ancora oggi è di enorme prestigio.

        Furono due anni felici quelli passati a Londra da Rumford ma il soggiorno fu interrotto proprio nel 1796 da una chiamata urgente dell’elettore di Baviera perché, essendo scoppiata la guerra tra Austria e Francia, la Baviera non si sentiva sicura. Rumford accorse e per una serie di circostanze fortuite e fortunate riuscì a tenere fuori la Baviera dal conflitto ed egli stesso ne uscì con il grado di generale anche se senza colpo ferire. Naturalmente il suo lavoro di inventore proseguì ed egli realizzò una cucina portatile da campo, una lampada da tavolo, un sistema di riscaldamento a vapore, una caffettiera (non mi soffermo su queste cose limitandomi solo a riportarne disegni e foto di modelli o di qualche pezzo antiquario).

Disegno di cucina da campo

Realizzazione della cucina da campo

Disegno della lampada da tavolo

Realizzazione della lampada da tavolo

Disegno del sistema di riscaldamento a vapore

Schema di funzionamento del sistema di riscaldamento a vapore

Disegno di caffettiera

Realizzazione di caffettiera pronta per il trasporto

La caffettiera di figura precedente pronta per l’uso

        Non resta a questo punto che dar conto dell’attività pubblica di Rumford negli ultimi anni della sua vita, anche se, a questo punto, ha appena 45 anni.

        Le invidie alla corte di Baviera convinsero l’elettore ad allontanare Rumford e per farlo utilizzò la famosa pratica della promozione ad incarico di maggior prestigio. Fu così che Rumford fu nominato ministro plenipotenziario della Baviera presso la corte di Giorgio III a Londra (una sorta di ambasciatore). Giorgio III però non gradì di avere Rumford alla sua corte con quel titolo perché la sua fama di spia non era dimenticata. Si rifiutò di accettarlo con quell’incarico e, addirittura si ruppero i rapporti tra Londra e Monaco finché fu in vita l’elettore Carlo Teodoro. Alla fine di questa vicenda Rumford si ritrovò a Londra senza lavoro e la circostanza mise in moto la creatività di Rumford che si propose al governo americano, attraverso conoscenze, per fondare un’accademia militare in quel Paese. Si mise in moto un processo che vide il governo americano fargli la proposta di quanto egli stesso aveva avanzato con il rifiuto di accettare la medesima proposta da parte di Rumford. Gli erano venute alla mente altre idee ed in particolare una, quella di fondare un’istituzione scientifica in Inghilterra. L’idea gli venne dal fatto che quasi tutti gli artigiani che operavano in quel Paese non conoscevano le sue realizzazioni, anche se sarebbero state loro molto utili. Il fatto è che quasi tutti costoro erano semianalfabeti e comunque solo pochi in grado di leggere. L’idea di Rumford fu quella di realizzare un museo della scienza dove i prodotti tecnici e scientifici, di recente realizzazione, venissero esposti. Lanciò l’idea per ottenere finanziamenti da vari mecenati e l’idea ebbe una buona accoglienza. Nacque così nel 1799 la Royal Institution of Great Britain alla testa della quale Rumford mise un giovane chimico di grande futuro come Humphry Davy, uno dei massimi scienziati che la Gran Bretagna abbia avuto.

Un disegno caricaturale di una lezione sperimentale alla Royal Institution. Sulla destra, in piedi, è riprodotta la figura di Rumford.

        I primi tempi furono irti di difficoltà per il carattere spigoloso ed autoritario di Rumford che ebbe modo di litigare con tutti (compreso Watt e Boulton che erano furibondi contro Rumford perché aveva esposto i modelli delle loro macchine a vapore nel museo per il non nobile motivo che il loro brevetto scadeva proprio in quell’anno, nel 1800). Comunque4 la Royal Institution, superate le molte prime difficoltà, prese il volo e tutto il mondo ne invidiò la costituzione. Dalla Baviera, alla morte dell’elettore Carlo Teodoro (1799), Rumford fu richiamato per mettere su un qualcosa di simile anche a Monaco. Il Conte tornò a Monca per un breve periodo e poi stava tornando a Londra via Parigi. In questa città, dove era una celebrità, Napoleone lo festeggiò, l’Accademia delle Scienze lo inserì tra i soci stranieri e la ricca ed influente vedova Lavoisier gli dedicò grande attenzione. Tornato a Londra si accorse di non essere più al centro dell’attenzione. Dopo aver sistemato alcune sue cose e dato per concluso il suo ruolo nella Royal Institution, tornò in continente e non fece più ritorno in Inghilterra.

        Fece fronte ai suoi obblighi a Monaco con la mente rivolta alla signora Lavoisier. Riuscì a fare una lunga vacanza con lei sulle Alpi dove ebbe modo di studiare dei fenomeni relativi al ghiaccio e dove si lamentò che gli scienziati dell’epoca non volevano convincersi che il calore era trasferito nell’acqua attraverso le correnti di convezione da lui scoperte. Avrebbe voluto lavorare a Parigi ma Napoleone tanto lo stimava quanto lo sospettava per il suo passato di spia. Furono le buone entrature ed i passi della signora Lavoisier che permisero lo stabilirsi di Rumford a Parigi nel 1804. I due decisero di sposarsi e, per farlo, il Conte dovette affrontare grandi difficoltà per dimostrare che la sua moglie americana era morta nel 1792 ma finalmente il loro matrimonio ebbe luogo nel 1805.

        Passò il resto della sua vita a Parigi tra vari dissapori coniugali e qualche controversia legale ma di queste cose non sono interessato. In questi anni sviluppò e pubblicò moltissimi lavori, alcuni dei quali ho già riportato in disegni e foto.

        Si spense improvvisamente nel 1814 ma ebbe una morte, con ciò che ne consegue, organizzata scientificamente in tutti i dettagli. In particolare lasciò i suoi beni all’americano Harvard College e, per essere certo che qualcuno non impugnasse il testamento indirizzando i beni altrove, fece firmare il testamento anche al suo amico francese, marchese di Lafayette ed eroe della Rivoluzione Americana.

        Fu sepolto nel piccolo cimitero di Auteil.

Tomba del Conte Rumford

                Come annunciato, nella seconda parte di questo lavoro mi occuperò di Lazare Carnot. Mentre Rumford è in qualche modo il fondatore dello studio del calore, Lazare Carnot è il sistematore del concetto di lavoro e la termodinamica si affermerà intorno alla metà dell’Ottocento proprio come felice sintesi tra i due concetti.


BIBLIOGRAFIA

 
(1) Sanborn C. Brown – Il conte Rumford. Un avventuriero scienziato – Zanichelli 1968.


NOTE

(1) La prima fondamentale messa in discussione della teoria del calorico venne dalla scoperta della conservazione della massa fatta da Lavoisier nel 1774. Nel suo “Traité élémentaire de chimie” (1789), che costituì il quadro riassuntivo di tutti i suoi studi e di  tutte le sue scoperte, egli discusse in dettaglio proprio la teoria del flogisto (assimilabile a quella del calorico) demolendola. Se la massa si conserva, scaldando un corpo esso deve acquistare massa, quella del calorico entrato dentro. Viceversa un corpo raffreddato deve avere massa minore. Ciò non accade e, di conseguenza, il calore non è una sostanza perché privo della caratteristica principale di una sostanza, la sua massa.

Per essere più precisi occorre fare cenno alle due teorie del calore, quella appunto del flogisto e quella del calorico. Sulla seconda debbo solo aggiungere che con essa si spiegavano tutti i fenomeni noti. Infatti il calore considerato come un fluido spiegava in maniera semplice l’ossidazione o calcinazione dei metalli, la combustione (i combustibili erano ritenuti costituiti di cenere e calorico e quest’ultimo si sarebbe liberato durante la combustione lasciando la cenere che è proprio il combustibile senza calorico), la trasmissione del calore (un travaso del fluido calorico da un corpo ad un altro fino a raggiungere l’equilibrio di calorico, proprio come nei vasi comunicanti), …

Vediamo invece in poche parole in cosa consisteva la teoria del flogisto che, per molti versi è sovrapponibile a quella del calorico.

La teoria del flogisto fu sviluppata, in ambito chimico, da Georg Ernst Stahl (1660 – 1734) nella sua Experimenta, observationes, animadvertiones chymicae et physicae del 1697. Il flogisto, da non confondersi con il fuoco visibile e/o materiale,  è un elemento imponderabile ed inafferrabile che tutti i corpi combustibili racchiudono in sé (zolfo, carbone, olii, fosforo, …). Quando inizia la combustione il flogisto rompe la sua unione con i corpi in cui è costretto e si libera con la conseguenza del cambiamento delle proprietà delle sostanze in cui era racchiuso. Il flogisto sfugge alle normali definizioni che si danno di materia: esso non è dotato né di peso né di compattezza, ma sembra avere un volume. Certamente il flogisto era ritenuto alla base di tutte le proprietà chimiche e fisiche delle sostanze, come l’odore ed il colore.Questa teoria fu molto utilizzata in chimica e veniva aggiustata al presentarsi di reazioni nuove. Non turbava alcuna precedente teoria o scuola di pensiero (ognuno la modificava secondo quanto riteneva meglio) e fu mantenuta per lungo tempo.

(2) La leggenda di Rumford come demolitore della teoria del calorico è dovuta al divulgatore John Tyndall (1820-1893) che la fece circolare nel suo Heat as a Mode of Motion del 1863. In realtà, a partire dagli esperimenti di Rumford e dai suoi dati, occorrevano i lavori di Sadi Carnot e di Joule (circa 1850) per poter utilizzare i dati di Rumford al fine di trovare un nesso quantitativo tra calore e lavoro. La cosa fu fatta proprio da Joule che trovò, con i dati di Rumford, un equivalente meccanico del calore (la costante che noi conosciamo come J) pari a circa 5,5 joule/caloria (oggi sappiamo che J vale circa 4,18 joule/caloria).

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