Thermoscoop meet temperatuurverschillen

Thermoscoop

Een thermoscoop is een instrument dat is ontworpen om temperatuurverschillen te detecteren. In tegenstelling tot de thermometer meet de thermoscoop deze verschillen niet absoluut (in kwantitatieve gegevens).
Historisch gezien is het een apparaat om de toename van het volume van een bepaalde hoeveelheid lucht in een container te benadrukken wanneer deze container wordt verwarmd en de afname ervan wanneer de container wordt gekoeld.

Het woord "thermoscoop" komt voor het eerst voor in de verhandeling "Sphaera mundi seu Cosmographia demonstrativa", gepubliceerd in Bologna in 1620. De auteur, Giuseppe Bianconi, professor in de wiskunde in
Padua sinds 1603, kent Galileo goed, hij is hoogleraar wiskunde in de universiteit van deze stad tussen 1592 en 1610. Bianconi verwijst dus naar het instrument dat bekend zal worden onder de naam Thermoscope of Galileo.

Een bepaald type thermoscoop, bedoeld om zeer kleine temperatuurverschillen tussen twee aangrenzende plaatsen te meten, werd bijna gelijktijdig uitgevonden door de Schotse natuurkundige John Leslie en door de Amerikaan Benjamin Thompson, graaf van Rumford, aan het begin van de 19e eeuw. Dit instrument wordt ook wel een differentiële thermometer genoemd.

Foto rechts: Demonstratie van een Galileo-thermoscoop, Museum voor Kunst en Ambachten

Thermoscopen uit de oudheid

Philo van Byzantium (3e eeuw voor Christus)

In de verhandeling over pneumatiek geeft Philo van Byzantium de eerste beschrijving van een thermoscoop. Het is een loden ballon, leeg (gevuld
met lucht) met een strakke dop. Een glazen buis heeft een uiteinde dat in verbinding staat met de kolf door door de stop te gaan, en het andere uiteinde dat in een vaas met water dompelt. Wanneer het apparaat in de zon wordt geplaatst, zet de lucht in de ballon uit en ontsnapt, waardoor er bellen verschijnen in de vaas vol water. In de schaduw geplaatst, stijgt het water in de vaas in de buis. Philo leidt hieruit af dat vuur wordt geassocieerd met lucht en dat het deze aantrekt. Philo benadrukt het fenomeen van de variatie van het volume van de lucht volgens de
temperatuur, maar begrijpt het niet.

Reiger van Alexandrië (1e eeuw voor Christus)

De thermoscoop van Heron of Alexandria bestaat uit een doos vol water, met een opening die in verbinding staat met de atmosfeer. Het wordt bekroond door een ballon die gedeeltelijk is gevuld met water en is voorzien van een verticale buis die in de doos steekt. Een andere buis, een omgekeerde U, heeft één tak die in het water in de ballon dompelt, en de andere tak opent boven de doos. Wanneer het apparaat wordt
blootgesteld aan de zon, duwt de lucht in de ballon het water uit de ballon terug in de U-buis, die druppel voor druppel in de doos valt.
Wanneer het apparaat in de schaduw staat, stijgt het water in de doos in de ballon, onder invloed van atmosferische druk.

Renaissance thermoscopen

Santorio thermoscoop

In 1612 kwam Santorio Santorio, een vriend van Galileo en professor in de geneeskunde aan de Universiteit van Padua, op het idee om Galileo's thermoscoop
om te vormen tot een instrument voor het meten van de temperatuur van patiënten. Het bestaat uit een kleine glazen bol, die een constante hoeveelheid lucht opsluit,
en die boven een open, lange en smalle buis uitsteekt, die in een vaas vol water duikt. De patiënt legt de bal in zijn hand of in zijn mond.

Onder invloed van temperatuur zorgt de variatie in luchtvolume ervoor dat het niveau van de waterkolom in de buis beweegt. Santorio gebruikt twee vaste referentiepunten: de temperatuur van de sneeuw en die van de kaarsvlam, waartussen hij een uniforme decimale schaalverdeling vaststelt..

Het is nog niet echt een thermometer, omdat de werkelijke waarde van de verkregen gegevens twijfelachtig is: het systeem is open, gevoelig voor variaties in de atmosferische druk die toen nog niet werden vermoed (het is noodzakelijk om te wachten op Torriceli in 1644). Zijn thermoscoop was dus een thermometer die ook
als barometer fungeerde.

Replica Santorio thermoscoop (sciencephotogaley)

Ondanks dit nadeel kan Santorio met het apparaat aantonen dat het menselijk lichaam op een constante temperatuur6 is en dat het 's nachts niet afkoelt, zoals werd aangenomen. Santorio is dus de eerste die graden van koorts meet en hun evolutie volgt tijdens een ziekte. Hij begrijpt dat het altijd nodig is om op dezelfde plaats van het lichaam te meten en dat het noodzakelijk is om de minimale tijd te wachten die nodig is om de temperatuur van de thermoscoop in evenwicht te brengen met die van het lichaam.

Galileo's thermoscoop

De enige expliciete vermelding van de thermoscoop door Galileo is degene die hij maakt in een brief aan zijn vriend Sagredo.

- "Wanneer de lucht in de bol samentrekt onder invloed van de kou, stijgt de wijn in de buis om de plaats van het gecreëerde vacuüm in te nemen
en wanneer de lucht wordt verwarmd, wordt deze ijler en neemt hij meer ruimte in beslag, zodat 'hij afstoot en brengt de wijn naar beneden.
Hieruit volgt dat koude niets anders is dan een afwezigheid van warmte.

De beste beschrijving die we hebben van een "Galileo's thermoscoop" en het gebruik ervan is die van Jean Leurechon van een apparaat dat hij een thermometer noemt,
in hoofdstuk 76 van zijn werk "Mathematical Recreation", gepubliceerd in Pont-à - Monsoon in 1624, dat wil zeggen tijdens het leven van Galileo.

Beschrijving

Het apparaat bestaat uit een capillaire buis (een zeer dunne buis) die verticaal wordt gehouden, waarvan het bovenste uiteinde is gesoldeerd aan een kleine ballon (een flesje) en het onderste uiteinde duikt in een container met gekleurd water of een andere vloeistof.

- “Het is een apparaat van kristal met bovenaan een flesje en onderaan een lange
   nek, of een heel dunne pijp, die onderaan eindigt in een vaas vol water, of naar
   achteren gebogen is met een ander flesje om uit te schenken. water of sterke
   drank erin als je wilt. De figuur vertegenwoordigt het hele instrument beter dan
   het geschreven woord.

Zet in de vaas onder wat likeur getint met blauw, rood of geel, of een andere kleur die niet te geladen is, zoals azijn, wijn, rood water of sterk water dat is gebruikt om koper te verbranden.

Werking

De variatie in het vloeistofniveau in het capillaire buisje hangt af van de variatie in het volume, en dus de temperatuur, van de lucht in de ballon.

Moderne Galileo thermoscoop

Thermometers volgens
Jean Leurechon

“Ik zeg eerst dat als de lucht die in de (bovenste) fles zit, ijl of gecondenseerd wordt, het water duidelijk door de pijp zal stijgen of dalen, wat je gemakkelijk zult ervaren, terwijl je het instrument van een zeer warme plaats naar een zeer koude plaats. Maar als u, zonder van een plaats te bewegen, uw hand voorzichtig van bovenaf op de fles legt, is deze zo los en is de lucht zo gevoelig voor elke indruk, dat u meteen het water ziet en, haar hand verwijderd, zij zal zachtjes naar haar plaats stijgen. Wat nog meer opvalt als je de fles met je adem verwarmt, alsof je een woord in je
oor wilt fluisteren om het water op commando te laten zakken.

De reden voor deze beweging is dat de verwarmde lucht in de leiding dunner wordt en uitzet en meer ruimte wil hebben. Daarom knijpt hij in het water en brengt het naar beneden. Integendeel, wanneer de lucht afkoelt en condenseert, neemt het minder ruimte in beslag en bijgevolg stijgt het water, uit angst dat er een leegte overblijft, onmiddellijk op.

Bruikbaarheid van een schaal

Door een schaalverdeling in 64 graden langs de capillaire buis in te brengen, kunnen vergelijkende metingen van temperatuur onder verschillende omstandigheden worden verkregen.

Degenen die deze verandering in getallen en graden willen bepalen, trekken een lijn langs de pijp en verdelen deze in 8 graden, volgens de filosofen,
of 4 graden, volgens de artsen, en verdelen deze 8 in 8 andere om in totaal 64 kavels. En op deze manier kunnen ze niet alleen onderscheiden in welke mate het water 's morgens, 's middags en op elk uur van de dag stijgt, maar ook kan men weten hoeveel de ene dag kouder of heter is dan de andere, door op te merken hoe vele graden stijgt of daalt het water. We kunnen de grootste hitte of koude van het ene jaar vergelijken met die van een ander jaar. U kunt zien hoeveel de ene kamer warmer is dan de andere. Men kan een kamer, een oven, een oven in altijd gelijke warmte houden zodat het water van de thermometer altijd op dezelfde graad blijft.

Kircher thermoscoop

In 1643 publiceerde Athanase Kircher een boek genaamd "Magnes, sive de arte magnetica", waarin hij verschillende soorten instrumenten noemde die de gebruikelijke vorm van lucht-waterthermoscopen hadden. Hij beschrijft echter een origineel model waarin een verticale buis in een half met water gevulde gesloten ballon duikt. Wanneer de lucht in het bovenste deel van de ballon wordt verwarmd, zet deze uit en de druk zorgt ervoor dat de vloeistof in de buis stijgt. We komen dichter bij de configuratie die de water- of alcoholthermometer zal aannemen.

Thermoscopen of differentiële thermometers (19e eeuw)

Rumford Thermoscoop

Benjamin Thompson, graaf van Rumford, presenteert zijn Rumford-thermoscoop onder de titel Memoir on Heat tijdens de openbare zitting van het National Institute op 25 juni 1804.

- Met behulp van een instrument dat ik een thermoscoop noem, dat een buitengewone mate
van gevoeligheid bezit, heb ik niet alleen ontdekt dat lichamen bij alle temperaturen stralen,
maar ook dat de stralen van koude lichamen even effectief zijn om hete lichamen te koelen
die de stralen van de laatste zijn effectief bij het verwarmen van koude lichamen.

Twee kleine ballonnen zijn verbonden door een U-vormige glazen capillaire buis. In de horizontale buis D bevindt zich een druppel wijn (gekleurde vloeistof) die als index dient. Wanneer een van de ballonnen wordt verwarmd, zet de lucht die erin zit uit en beweegt de gekleurde index naar de andere ballon. Dit apparaat maakt het mogelijk om "die zeer kleine variaties in de temperatuur van lichamen te meten, of liever te ontdekken, die worden veroorzaakt door straling van omringende lichamen".

Als het instrument klaar is voor gebruik, wordt het als volgt gebruikt:

Een van de twee ballen wordt gemaskeerd door lichtschermen, bedekt met verguld papier,
en op deze manier beschermd tegen de invloeden (calorisch of koelend) van de warme of koude lichamen die aan de andere bal worden aangeboden; de lucht die zich daarin bevindt,

Diagram van de thermoscoop van Rumford, 1805).

wordt ofwel verwarmd ofwel gekoeld door een lichaam dat ofwel heter ofwel kouder is dan de thermoscoop, die er dus aan wordt aangeboden;
de elasticiteit van deze lucht verandert door deze verandering van temperatuur en de kleine kolom of bel van wijn die zich in het horizontale deel
van de buis bevindt, wordt in beweging gebracht en gedwongen een andere standplaats in te nemen.

De bewegingsrichting van deze bel geeft de aard van de verandering aan die heeft plaatsgevonden in de temperatuur van de lucht die is ingesloten in de bal waaraan het lichaam wordt gepresenteerd, en de door de bel afgelegde afstand is de maat voor de toename of de afname van de elasticiteit en dus van de temperatuur van deze lucht.

Als de bel weg beweegt van de bal waaraan het onderzochte lichaam is gepresenteerd, is het duidelijk dat de lucht die in de bal is ingesloten, is verwarmd door de invloed van dit lichaam; maar wanneer de geestbubbel van wijn naar deze bal loopt, is dit een bewijs dat de lucht in deze bal is afgekoeld.

De gevoeligheid van dit instrument is zo groot dat wanneer het bij een temperatuur van 10° tot 12° van de Réaumur-thermometer is,
de stralingswarmte van de hand, wanneer het wordt aangeboden aan een van zijn ballen, op een afstand van drie voet, is genoeg om de geest
bubbel van wijn meerdere lijnen vooruit; en de koelende invloeden van een zwartgeblakerde metalen schijf met een diameter van 10 cm bij de temperatuur van smeltend ijs, gepresenteerd op een afstand van 18 cm, zorgen ervoor dat de bel in tegengestelde richting loopt, met een zeer zichtbare snelheid voor het oog.

Leslie's thermoscoop

John Leslie (1766-1832) vond een differentiële thermoscoop uit met een constructie die erg lijkt op die van Rumford.

Bronnen: Wikipedia-fr

Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z