Conceptul de temperatura

Conceptul de temperatura ne duce cu gandul la experientele fiziologice resimtite la apropierea sau la atingerea unui obiect. Este neindoielnic ca a doua senzatie - alaturi de cea vizuala - provocata de obiectele fierbinti, incandescente, s-a conturat foarte devreme in existenta speciei umane. Termenul Cald a aparut de timpuriu in toate limbile civilizate si interesul pentru fenomenele fizice care provoaca senzatia se regaseste in stiinta primitiva a tuturor popoarelor. O alta senzatie a fost asociata cu vecinatatea ghetii si, pentru a o descrie, a fost creat cuvantul Rece. Aparitia unor senzatii similare independent de prezenta obiectelor exterioare, ca in cazul febrei sau a frigurilor, a sporit interesul si nu este deloc surprinzator ca nelinistea foarte timpurie legata de Cald a fost asociata cu problemele de sanatate si cu medicina.

Fizica moderna a fenomenelor termice a inceput sa se dezvolte in secolul al saptesprezecelea, odata cu inventarea termometrului, care a creat posibilitatea efectuarii de  studii cantitative. Aceasta afirmatie nu ar trebui, insa, sa fie interpretata cum ca nu ar fi existat o teorie stiintifica privind fenomenele termice inainte de aceasta data. La fel de gresita este opinia inca raspandita ca, dupa ce termometrul a devenit un instrument popular, savantii vremii ar fi avut o idee clara despre ce este temperatura si ca, facand experimente cu termometre, ei erau pe deplin constienti de ceea ce masurau. 

Poate parea surprinzator ca o parte foarte importanta a "filosofiei naturale" - philosophia naturalis - antice si medievale o reprezenta ceea ce astazi numim fizica fenomenelor termice si ca teoriile si ipotezele elaborate de inteleptii antichitatii au ramas active timp de mai bine de un secol si jumatate dupa inventarea termometrului.

In antichitate erau cunoscute doar doua forme de energie (in terminologia contemporana) si anume, mecanica si termica. Insa dintre ramurile fizicii numai mecanica si optica dispuneau de un suport matematic. Toate celelalte discipline, care se ocupau cu structura materiei si care includeau fenomenele termice, meteorologice, chimice sau fiziologice, erau tratate doar cu ajutorul argumentelor verbale si al constructiilor logice.

amarul si dulcele, fluidul si vascosul Pe de alta parte, generarea elementelor prin actiunea calitatilor implica o dinamica a elementelor. Elementele care au o calitate elementara in comun se pot transforma unul in celalalt. Focul poate, deci, sa se transforme, prin modificarea uneia dintre cele doua calitati ale sale, fie in aer, fie in pamant; pamantul, in foc sau in apa; apa, in pamant sau in aer; aerul, in apa sau in foc. Aristotel a studiat chiar viteza relativa de transformare reciproca a elementelor: astfel, sub efectul caldurii, apa se transforma in aer mai rapid decat se transforma pimantul in foc.

In sfarsit, fiecare element se subdivide in varietati: se disting de exemplu trei feluri de foc: flacara care arde, lumina si reziduurile incandescente ale flacarii.

Structura ipotetica a materiei bazata pe aceasta teorie determina o consecinta importanta: proprietatea "termica" potentiala sau intrinseca a tuturor substantelor existente. Astfel, de exemplu, alcoolul, praful de pusca si piperul sunt substante calde, active in raport cu alte corpuri, in timp ce opiul si zapada sunt exemple de substante reci.

Problema cea mai importanta, cruciala pentru teoria lui Aristotel, a vizat asa-numitul primum frigidum. In vreme ce nu exista nici o indoiala in care element salasluieste caldura - desigur, in foc -, sediul frigului a ramas incert. Problema lui primum frigidum nu a fost rezolvata niciodata si a disparut doar odata cu intreaga teorie.

Desi conceptul de temperatura nu a fost necesar pentru descrierea generala a proceselor naturale in cadrul teoriei lui Aristotel, termenul temperatura era frecvent folosit de medicii antici si medievali. Aceasta temperatura a lor era in stransa legatura cu temperamentul (temperamentum, in latina) individual si era data de un anumit amestec al celor patru Calitati, care era necesar pentru a mentine Forma tesuturilor corpului uman intr-o buna stare de sanatate - homeostasis.

Astfel, cei mai faimosi medici ai antichitatii, Hipocrat (460 i.Cr. -370 i.Cr.) si Galien (129 -216), ale caror teorii au dominat stiinta medicala europeana mai bine de un mileniu, au completat teoria elementelor cu asa numita teorie a

La fel cum Universul nu este sanatos atunci cand elementele sunt in dezechilibru, tot asa corpul uman se imbolnaveste atunci cand exista un exces al uneia sau alteia dintre umori. Sanatatea si boala depind deci de echilibrul umorilor si de calitatea lor. La omul sanatos, predominanta uneia dintre umori se numeste constitutie fizica si determina temperamentul. Fiecarei umori predominante ii corespunde un anumit temperament: coleric pentru bila galbena, sanguin pentru sange, flegmatic pentru flegma si melancolic pentru bila neagra. Daca dezechilibrul se agraveaza, acesta antreneaza bolile (calde, reci, uscate sau umede), care se vindeca prin administrarea unui remediu care restabileste echilibrul umorilor: o boala rece si umeda, de exemplu, necesita un remediu cald si uscat

Galien a mai gasit de cuviinta sa introduca ceea ce el a numit patru grade (gradus, in latina) de cald si patru grade de rece. Aceste grade nu erau insa aplicate obiectelor in sensul pe care il atribuim noi astazi apei calde sau reci de exemplu, ci mai degraba remediilor medicale ce aveau ca efect sa faca pacientul cald sau rece. Pentru a usura prescrierea medicamentelor, Galien a inventat si o temperatura neutra, careia i-a asociat notatia zero grade pe scara sa si care corespundea la ceea ce s-ar putea numi starea termica normala a unui individ. El credea ca aceasta temperatura neutra variaza cu latitudinea geografica, fiind, de exemplu, cu 2 grade mai ridicata la latitudinea de 25s si cu doua grade mai scazuta la latitudinea de 65s, decat la latitudinea de 45s. Aceste diferentieri erau importante, deoarece permiteau sa se stabileasca tipul de medicament necesar pentru a produce caldul sau recele potrivit pentru un pacient dintr-o anumita zona geografica.

De fapt medicii antici, dar si medicii din Evul Mediu care au continuat sa foloseasca teoriile lor, nu stiau cum sa determine acest parametru evident crucial - temperatura. Pana la inceputul secolului al saptesprezecelea nu s-a dezvoltat nicio metoda prin care sa se poata atribui valori experimentale gradelor de cald si de rece, nu s-a inventat nici un instrument pe care sa-l putem numi termometru.

Probabil prima incercare de a defini starea corpului uman prin masurari fizice obiective a provenit de la un grup de savanti italieni care lucrau impreuna in jurul anului 1600 s1t. Medicul Sanctorius (Santorio) (1561-1636), care facea parte din acest grup, a publicat in anul 1612, in lucrarea sa "Comentarii despre Galien", prima descriere care se cunoaste a unui instrument conceput pentru masurarea temperaturii. Sanctorius a incercat sa masoare o caracteristica instantanee a temperamentului, adica temperatura, folosind o forma modificata a unui dispozitiv foarte vechi numit termoscop, care fusese deja descris de Philo din Bizant (secolul al III-lea i. Cr.) si de Hero din Alexandria (sec. I d.Cr.).

Adaugarea unei scari uniforme - facuta din picaturi de sticla - pe tubul termoscopului i-a permis lui Sanctorius sa aprecieze gradul de temperatura al pacientului si, apoi, sa stabileasca tratamentul medical adecvat. Transformarea unei ciudate jucarii din sticla intr-un dispozitiv de masurare si folosirea intentionata a datelor obtinute pentru un scop anume au trasaturile caracteristice unei descoperiri reale.

Nu acelasi lucru se poate spune despre alti presupusi inventatori ai termometrului, cum ar fi della Porta sau Drebbel din Alkmar (care obisnuia sa furnizeze diverse prototipuri de perpetuum mobile hidro-pneumatice curtilor regale din Europa). Este absolut sigur, insa, ca termoscopul era un instrument foarte cunoscut in randul oamenilor educati din secolul al saptesprezecelea, astfel incat a desemna un singur inventator "adevarat" al termometrului, dintre persoane precum Galilei, Segredo, Fludd, Bacon, Boyle si altii, este practic imposibil.

Urmatorul progres major l-a reprezentat utilizarea unui lichid in locul aerului si a fost infaptuit in anul 1632 de catre un medic francez, Jean Rey. El a folosit apa ca substanta termometrica dar, fiindca nu a etansat tubul termometrului, evaporarea trebuie sa fi produs erori considerabile.

Termometria incepe sa devina moderna la inceputul secolului al optsprezecelea prin lucrarile lui Fahrenheit si Amontons, care au realizat progrese importante, insa in directii diferite. Fiecare a pus bazele unei ramuri a termometriei. Aceste doua ramuri, quasi-independente, au ramas separate din multe puncte de vedere aproape pana in epoca actuala si sunt denumite de Quinn termometria primara si termometria secundara.

sangelui). El a impartit intervalele dintre punctele fixe in mod egal, in grade. In al doilea articol din 1724, Fahrenheit precizeaza valorile celor trei puncte fixe pe scara sa: 0s, 32s si, respectiv, 96s. 

Herbert Dingle pretinde ca Fahrenheit ar fi povestit intr-o scrisoare adresata lui Hermann Boerhave in anul 1729 ca a preluat ideea punctelor fixe dintr-o conversatie avuta cu astronomul danez Ole Rømer. Acesta i-ar fi vorbit despre un proiect pentru constituirea unei scari de temperatura cu doua puncte fixe, temperatura de topire a ghetii si "caldul sangelui". Termometrul era imersat succesiv intr-un amestec de gheata si apa si, respectiv, in apa la temperatura corpului uman si nivelurile corespunzatoare ale coloanei de lichid erau marcate pe scara termometrului. Rømer a ales in mod arbitrar un zero situat sub punctul ghetii, la o distanta egala cu jumatate din lungimea cuprinsa intre cele doua repere marcate. El a impartit apoi, tot arbitrar, intervalul dintre acest zero si nivelul corespunzator temperaturii corpului uman in 22,5 de grade, ceea ce facea ca temperatura de topire a ghetii sa devina 7,5s. Fahrenheit a hotarat sa urmeze acelasi principiu, numai ca el a impartit  intervalul de temperatura dintre cele doua puncte fixe in 64 de grade si a atribuit valoarea de 32s punctului ghetii, ceea ce a condus la  valoarea de 96s pentru "caldul sangelui". Extinzand scara rezultata, Fahrenheit a constatat ca temperatura de fierbere a apei de ploaie era de aproximativ 212s. El a studiat variatia acestei temperaturi cu presiunea atmosferica. Mai tarziu, valoarea de 212s a fost adoptata ca valoarea exacta a temperaturii Fahrenheit de fierbere a apei la presiunea atmosferica normala si reprezinta al doilea punct fix al scarii sale alaturi de punctul de topire al ghetii (32s).  Utilizand aceasta scara, care este si astazi in uz, Fahrenheit a facut masurari ale punctelor de fierbere ale lichidelor la temperaturi de pana la 600s.

Cam in aceeasi perioada, savantul francez Guillaume Amontons (1663-1705) a creat in mod independent o metoda analoga pentru constituirea unei scari termometrice. El a facut insa experimente cu un termometru cu gaz la volum constant, folosind aer ca mediu termometric. Amontons a studiat relatia dintre temperatura si presiunea in gaze si a constatat ca mici variatii ale temperaturii produc variatii corespunzatoare ale presiunii. El a concluzionat ca temperatura unui gaz este proportionala cu presiunea sa si ca, in consecinta, ar fi nevoie de un singur punct fix pentru a defini o scara. In pofida lucrarilor anterioare ale lui Boyle si Mariotte, aceasta propunere nu a fost adoptata de contemporani, cel mai probabil pentru motivul foarte intemeiat ca termometrul cu gaz era un instrument dificil de folosit. La vremea respectiva nu s-a inteles ca o scara astfel stabilita are o semnificatie fizica mult mai importanta decat scara lui Fahrenheit.

Rezultatele lucrarilor sale il determina pe Amontons sa presupuna ca cea mai joasa temperatura existenta ar corespunde unei presiuni zero a gazului din termometru. El a numit acest punct (situat la aproximativ 270 de grade sub punctul de solidificare al apei) "zero absolut" sau "frigul extrem" (l'extrême froid) si a propus folosirea lui ca punct fix natural. Era, fara indoiala, primul pas pe calea intelegerii conceptului de zero absolut al temperaturii, un concept extins si rationalizat mai tarziu de William Thomson.

Lui Amontons ii datoram si o alta idee valoroasa si anume, folosirea termometrelor cu gaz (mijloace de masurare nu tocmai comode dar foarte exacte) pentru etalonarea termometrelor cu lichid (mijloace de masurare mult mai practice).

La mijlocul secolului al XVIII-lea exista un consens general in jurul folosirii fenomenelor de fierbere si de solidificare ale apei ca puncte fixe preferate pentru termometrie, in special datorita lucrarilor lui Réaumur si Celsius.

In anul 1731, René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) a creat o scara de temperatura in care reperul zero reprezenta punctul de solidificare al apei iar reperul 80 - punctul de fierbere al apei. Scara de temperatura Réaumur a devenit populara in Franta, dar a fost ulterior inlocuita cu scara centigrad.

Astronomul si fizicianul suedez Anders Celsius (1701-1744) a realizat in anul 1742 un termometru cu mercur in care intervalul dintre reperele marcate pentru punctul ghetii si, respectiv, pentru punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferica normala era impartit in 100 de parti egale, cu reperul corespunzator punctului ghetii marcat cu 100s si cel corespunzator punctului de fierbere a apei marcat cu 0s. Este de presupus ca aceasta alegere a valorilor pentru cele doua puncte fixe a fost dictata de dorinta lui Celsius de a nu avea temperaturi negative sub punctul de topire al ghetii. Se pare, insa, ca nu era deranjat de valorile negative ale temperaturilor peste punctul de fierbere al apei !

Anders Celsius este recunoscut ca primul om de stiinta care a efectuat experimente laborioase in scopul de a defini o scara internationala de temperatura pe baze stiintifice. In articolele sale sunt raportate rezultate experimentale obtinute in cadrul unor studii privind dependenta punctului de solidificare al apei de latitudine. El a determinat, de asemenea, dependenta punctului de fierbere al apei de presiunea atmosferica (in acord excelent cu datele moderne).

In 1850, un prieten si colaborator stiintific al lui Celsius, Märten Strömer, a inversat cele doua puncte fixe introduse de Celsius si a definit punctul ghetii si punctul de fierbere al apei ca fiind 0s si, respectiv, 100s. A rezultat, astfel, scara Celsius sau scara centigrad, denumita asa datorita diferentei de 100 de unitati intre cele doua puncte fixe. Treptat, scara centigrad a devenit populara in intreaga lume