Thermometer (2) - Het idee en de uitvoering

Het idee van de thermometer is simpel: een materiële opstelling waarin de variatie in volume van een vloeistof/gas een variatie representeert in temperatuur van de omgeving waarin dat volume is geplaatst. De uitvoering van de thermometer is moeilijk. Toen ik voor het eerst een primitieve luchtthermoscoop wou maken (een instrument dat reageert op temperatuursveranderingen), gebruikte ik een glazen flesje dat ik omgekeerd boven een bak water hield. Ik bracht een vlam bij het flesje om de lucht op te warmen die erin vast zat. Terwijl ik geduldig wachtte op de uitzetting van de lucht, brak het flesje in stukken. Het glas was niet bestand tegen de hitte. De materiële wereld had mijn idee letterlijk kapot geslaan.


De luchtthermometer - schematisch

De luchtthermometer die ik in mijn vorige blogpost filmde, maakte gebruik van hitte bestendig glas (hoe bestendig, weet ik niet - in de Dille&Kamille leveren ze geen gedetailleerde tabellen mee). Daarmee was ik wel in staat om de ingesloten lucht uit te laten zetten. Sindsdien heb ik de luchtthermometer echter achter mij gelaten. Hij heeft immers een paar problemen. Ten eerste is er het probleem van verdamping. Omdat de vloeistof (B) waarin de lucht (A) gevangen is, blootgesteld wordt aan de omgeving, verdampt die vloeistof doorheen de tijd, en hierdoor verandert het niveau tot waar de lucht komt. De variatie in volume van de lucht is dus niet enkel afhankelijk van de variatie in volume. In principe kan je altijd proberen een zelfde hoeveelheid vloeistof te gebruik bij iedere meting. Alleen is het onmogelijk om het volume van een vloeistof constant te houden doorheen de tijd zonder thermometer (het volume is afhankelijk van temperatuur). Een tweede probleem ligt in de luchtdruk. De omgevingslucht (C) oefent een constante druk uit op de vloeistof (B) die de lucht gevangen houdt. Als die druk stijgt, dan gaat het volume gevangen lucht kleiner worden en vice versa. De variatie in volume van een luchtthermometer in deze opstelling representeert dus zowel variaties in temperatuur als in druk van de omgevingslucht. Dit probleem is alleen op te lossen als ik erin zou slagen de luchtdruk constant te houden - een vermogen dat mij in mijn keuken niet gegeven is. Ten laatste is het praktisch onmogelijk om deze luchtthermometer bloot stellen aan vloeistoffen: alleen als je de glazen buis waarin de lucht gevangen zit kunt ombuigen en uitbreiden voorbij de container met vloeistof heb je een oplossing. Dat ligt echter voorbij mijn huiselijke middellen.

Hoewel luchtthermoscopen aan het begin van de 17de eeuw populair waren, werden ze uiteindelijk verlaten voor vloeistof-thermoscopen - in feite, niets anders dan een omgekeerde luchtthermoscoop (hiernaast schematisch weergegeven). Een van de eerste versies van zo’n instrument zijn die van de Accademia del Cimento, een groep van geleerden die tussen 1657 en 1667 talloze experimenten uitvoerden en documenteerden in Firenze. In de afbeelding hieronder beelden I, II en III die thermometers af. Het zijn integrale glazen containers, bestaande uit een bolvormig reservoir dat verbonden is met een glazen hals waarvan de diameter over de volledige lengte constant is. Om variaties in de volumes van vloeistoffen vast te stellen plaatsten ze een ketting met bolletjes naast de hals. Op die manier kon je snel tellen hoeveel bolletjes de vloeistof gezakt of gestegen was. De instrumenten zijn schitterend om naar de kijken, afgewerkt met gekleurde glazen houders onderaan. Het zijn pronkstukken die de hoge kwaliteit van Italiaanse glasblazers van die tijd in de verf zetten. De geleerden van de academia maten ermee dat zonnestralen op de heetste zomerdag de wijn die ze in de hals goten omhoog duwde tot “80 graden” (zijnde de 80ste bol van hun ketting), terwijl ijs of sneeuw ’s winters de wijn deed inkrimpen tot ongeveer 20 graden. Tussen de warmte van felle zon en koude van sneeuw zaten er dus ongeveer 60 bollen. Hierdoor was het instrument in staat om het brede scala aan temperatuursveranderingen doorheen het jaar vrij nauwkeurig vast stellen.

Verschillende thermometers van de "Academici"

Toch hadden hun thermometers één groot nadeel: vergelijkbaarheid. Om betekenisvol resultaten van verschillende thermometers op verschillende locaties te kunnen vergelijken met elkaar moesten de resultaten van die thermometers vergelijkbaar zijn. 60 graden van een thermometer in Firenze moest dezelfde warmte/koude voorstellen als 60 graden van een andere thermometer in bijvoorbeeld Parijs. Hiervoor rekenden de academici op de vaardigheid van hun glasblazer: zij gingen ervan uit dat de verhouding tussen het volume van de bol en de diameter van de hals constant was in alle geproduceerde thermometers van een bepaalde lengte. Welke verhouding dat precies was, dat was niet belangrijk - vooral dat die verhouding constant bleef in alle thermometers die zij produceerden. Vervolgens was het een kwestie om precies zoveel vloeistof toe te voegen dat de heetste zonnestralen de vloeistof opwarmden tot ongeveer 80 graden, zoals bij hun andere thermometers. Nieuwe instrumenten die niet overeen kwamen met de originele op dit gebied werden aan de kant geschoven. Dit leverde misschien wel vergelijkbare thermometers op, maar het was een methode die 1) zéér afhankelijk was van de kwaliteit van een glasblazer en 2) afhankelijk was van een calibratie op basis van de reeds bestaande instrumenten. Hierdoor zou de meting van temperatuur afhankelijk worden van een zeer lokale, ambachtelijke praktijk, niet echt wenselijk.


Het instrument van de Accademia del Cimento - hoe aantrekkelijk het visueel ook is - is geen goed vertrekpunt voor mijn eigen doelstelling om een thermometer te bouwen. Om mijn zoektocht verder te zetten heb ik de esthetische schoonheid van de Italiaanse experimenten verlaten en mij gewend tot de meer pragmatische, vroegmoderne Engelse wetenschap. In Nieuwe experimenten en observaties over koude (1665) beschreef de Engelse natuurfilosoof Robert Boyle zijn eigen versie van de thermometer van de Accademia:

De thermometer waarover ik spreek, wordt gemaakt door een cilindrische glazen pijp (open aan beide zijden) in te brengen in een fles, en door nauwkeurig de mond van het flesje af te stoppen met afsluitende was of zeer compacte cement op zo’n manier dat de ingesloten lucht in de fles niet meer in contact komt met de externe lucht, tenzij via de reeds vermelde pijp.

Boyle liet ons geen afbeelding na van zijn instrument. Ongetwijfeld kwam de efficiëntie ervan de esthetische waarde niet ten goede - een afbeelding was overbodig. Boyle’s praktijk vermeldt flesjes, een cilindrische pijp en afsluitende was - drie middellen waarover een gemiddelde mens ook vandaag gemakkelijk beschikt. Een meester glasblazer heb je niet nodig. Bij mijn eerste poging om het instrument van Boyle na te bouwen maakte ik gebruik van bijenwas om de verbinding tussen mijn pijp en flesje luchtdicht af te sluiten - bijenwas werd tenslotte in 17de eeuw courant gebruikt, bovendien is het toxisch onschadelijk. Ik vulde deze eerste versie van mijn thermometer met water (foto links), en voerde onmiddellijk wat tests uit. Ik plaatste het instrument in een bak smeltend ijswater om te kijken hoezeer het water zou inkrimpen bij deze temperatuur (foto midden), en plaatste het daarna in een kom kokend water (foto rechts).



De resultaten waren teleurstellend in twee opzichten. Ten eerste was het volume verschil tussen de temperatuur van ijswater en kokend water niet bijzonder groot - water zet nu eenmaal niet bijster veel uit. Als vloeistof moest ik dus iets anders proberen. Ten tweede bleek de bijenwas niet bestand tegen de dampende hitte van kokend water. Mijn thermometer zakte ineen toen ik hem rechtstreeks in een kokende pot bracht. Het vinden van een goed afsluitend mechanisme tussen fles en pijp bleek allesbehalve evident. In een tweede poging gebruikte ik een veel minder milieu vriendelijke epoxy-lijm. Helaas moet deze lijm een aardige tijd drogen en was mijn droog-opstelling hierop niet voorzien. Ik eindigde met twee olijke, “licht” scheef gegroeide glazen pijpen.

Om ze te testen vulde ik hen met lijnzaadolie - een vloeistof die een hoger kook-en vriespunt heeft dan water en bovendien gemakkelijk te vinden is. Het vullen van de thermometers bleek niet gemakkelijk. De ingesloten lucht oefende constant druk uit op de indalende olie. Na verschillende vulpogingen bleek het gemakkelijkst om de olie zachtjes te laten neerdalen langs een deel van de hals, zodat de lucht geleidelijk aan uit het geheel verdreven kon worden. Na een paar minuten verwoed schudden kon de laatste lucht ook het flesje ontsnappen. Ik liet mijn lijnzaadolie-thermometers even staan en markeerde na een uur hoeveel volume ze innamen. Daarna verplaatste ik hen naar een plaats in het volle zonlicht. Enkele minuten later was de stijging van de olie duidelijk merkbaar. Ik had een functionele “Robert Boyle” thermometer geproduceerd.


Een kleine centimeter boven de streep van de kamertemperatuur

De uitvoering van de thermometer is moeilijk, omdat de zoektocht naar een materiële opstelling die voldoende lijkt op het verlangde ideaal niet evident is. Of je materiële opstelling voldoet aan het verlangde ideaal is ook niet vanzelfsprekend. Is mijn lijnzaadolie echt afgesloten van de omgevingslucht? Is de binnendiameter van mijn glazen pijp uniform over de lengte heen? Op een bepaald moment moet je beslissen dat, bij afwezigheid van indicaties van het tegendeel, de materiële opstelling voldoet aan de eisen die je stelt. Die beslissing is niet ingegeven door universele, rationele principes, maar hangt af van hoeveel tests je wil uitvoeren om ze te controleren. Om de duurzaamheid van mijn epoxy-lijm te testen heb ik bijvoorbeeld besloten om mijn thermometers eens in te vriezen en ze daarna op te koken in water om te kijken hoe ze zouden reageren. Toen de lijnzaadolie opnieuw welig begon te vloeien na ontdooiing bleek dat één van mijn thermometers al lekte. Mijn lijmtechniek kan dus duidelijk nog aan consistentie winnen.


Zoals bij elke menselijke handeling/praktijk moet ook de wetenschapper op een bepaald moment beslissen of de handeling/het gemaakte product voldoet aan de doelen die de handeling/het product nastreeft. Die beslissing kan je enkel maken door de bredere doelstellingen in rekening te brengen. In mijn geval heb ik beslist om voorlopig met de robuste expoxy-thermometer verder te gaan. Waar mijn thermoscoop met bijenwas duidelijk tekort kwam bij blootstelling aan hogere temperatuur, kon op z’n minst één van de epoxy versies zowel hogere als lagere temperaturen verduren. Mijn keuze om de kook-en vriespunten van water te gebruiken bij deze stress-test was uiteraard niet willekeurig - het is immers mijn bedoeling om mijn thermometer verder te kalibreren aan de hand van die punten.


Bij het schrijven van deze tekst heb ik vooral gebruik gemaakt van deze bron:

Barnett, Martin K. "The Development of Thermometry and the Temperature Concept." Osiris 12 (1956): 269-341. http://www.jstor.org/stable/301713.