Si tratta di un igrometro, uno strumento utilizzato per la misura dell’umidità atmosferica ossia della quantità di vapore acqueo nell’aria. È del tipo a condensazione, ideato, attorno al 1820, dal chimico e meteorologo inglese John Frederic Daniell (1790-1845). Una prima versione dello strumento, successivamente modificata dallo stesso inventore, è simile a quella qui presentata [1]. Gli igrometri a condensazione hanno la funzione di determinare, attraverso il raffreddamento dell’aria, a quale temperatura il vapore acqueo in essa contenuto diventa saturo, anche detta temperatura del punto di rugiada. Essi furono molto diffusi in tutto il XIX secolo.
L’igrometro di Daniell [1,2] si compone di due bulbi di vetro sottile collegati alle estremità di un tubo di vetro ripiegato due volte ad angolo retto e sostenuto da una colonnina dotata di un termometro a mercurio, con scala da 0 a 50 °C per la misura della temperatura ambiente. Il bulbo più in basso ha una fascia dorata ed è riempito per due terzi del suo volume di etere in cui è immerso il bulbo di un termometro, con scala da -2 a 5°C, mentre l’altro è rivestito di mussolina, ancora in ottimo stato. Tutto l’apparato in vetro è sigillato e non contiene aria ma solo etere e i suoi vapori. Inizialmente, lo strumento viene “azzerato” facendo scorrere l’etere e raccogliendolo tutto nel bulbo dorato. Versando, poi, goccia a goccia dell’etere sulla mussolina, questo evapora rapidamente, raffreddando il bulbo e condensando i vapori in esso contenuti. Come conseguenza, nuovo vapore di etere è prodotto nello strumento, causando un continuo abbassamento di temperatura nel bulbo inferiore e anche nell’aria esterna a contatto, misurato dal termometro interno. Quando è raggiunta la temperatura alla quale il vapore acqueo presente nell’aria arriva alla saturazione e inizia la condensazione, sul bulbo dorato si deposita un anello di rugiada. La temperatura indicata dal termometro interno in quel momento corrisponde alla temperatura del punto di rugiada. Per ottenere questa temperatura con maggiore approssimazione, si rileva la temperatura alla quale si forma prima la rugiada e poi si lascia riscaldare il bulbo. Viene nuovamente annotata la temperatura del bulbo quando la rugiada scompare e la media è il punto di rugiada. Il punto di rugiada può essere convertito in umidità relativa cercando nelle tabelle la pressione del vapore in corrispondenza del punto di rugiada e la pressione del vapore saturo alla temperatura ambiente. Daniell fu il primo che approfittò dell’evaporazione dell’ etere per ottenere il raffreddamento della parete igrometrica .
L’igrometro di Daniel presenta alcune cause di errore: solo la superficie dell’etere viene raffreddata; quindi, il termometro potrebbe non fornire la temperatura esatta, inoltre la presenza dell’osservatore potrebbe modificare le condizioni ambientali.
Il Prof. Chistoni, l’inventore dell’igrometro a condensazione che porta il suo nome, nell’esprimere un parere positivo sul funzionamento dello strumento di Daniell, sottolinea, in particolare, che la posizione del termometro interno non permette una precisa lettura della temperatura di appannamento [3]. Daniell stesso, scrive Chistoni, s’accorse di questi problemi del suo strumento e nel 1820 lo modificò facendo in modo che il termometro si prolungasse fuori dell’apparecchio potendo così assumere dimensioni tali da permettere di apprezzare con sicurezza le frazioni di grado.
Nella collezione UNIMORE sono presenti, oltre all’igrometro a condensazione di Daniell, un “igrometro ad assorbimento dell’abate Bellani” probabilmente a corda, un “igrometro a capello di de Saussure” ed un “igrometro a condensazione di Chistoni”, le cui schede descrittive sono pubblicate in questo sito.
Una breve storia della misura dell’umidità dell’aria è pubblicata nella scheda relativa all’”igrometro ad assorbimento dell’abate Bellani”.
La temperatura del punto di rugiada
La temperatura del punto di rugiada (spesso abbreviata in “punto di rugiada”) è la temperatura che deve assumere l’aria (considerata una miscela di aria secca e vapore acqueo), a pressione costante e con un contenuto costante di vapore acqueo, affinché il vapore acqueo presente inizi a condensare. Il punto di rugiada, essendo una temperatura, è indicato in gradi Celsius (°C). Fornisce informazioni sull’umidità dell’aria, è una grandezza igrometrica.
Alcune grandezze igrometriche
Il contenuto di vapore acqueo in aria può essere quantificato attraverso numerose grandezze dette grandezze igrometriche, la temperatura del punto di rugiada è una grandezza igrometrica. Queste grandezze sono riconducibili l’una all’altra tramite relazioni che si possono dedurre dalle loro definizioni e dalla Termodinamica nell’approssimazione di gas perfetto oppure ricavare tramite relazioni empiriche, grafici, tabelle.
Umidità specifica: rapporto fra la massa di vapore acqueo e la massa totale di aria contenute in un certo volume,
Mixing ratio: rapporto tra la massa di vapore acqueo e la massa di aria secca contenute in un certo volume,
Umidità assoluta: la massa di vapore acqueo nell’unità di volume,
Pressione di vapore: la pressione parziale del vapore acqueo contenuto nella miscela di gas che chiamiamo aria secondo la legge di Dalton per una miscela di gas perfetti.
Pressione o tensione di vapore saturo: la pressione che il vapore esercita sull’acqua in condizioni di equilibrio tra evaporazione dell’acqua e condensazione del vapore in un sistema chiuso (è il valore massimo della pressione del vapore per una fissata temperatura). La pressione di vapore saturo dipende dalla temperatura: l’aria più calda è in grado di contenere, sotto forma di vapore, più acqua rispetto all’aria più fredda.
Umidità relativa: il rapporto non dimensionale tra la massa del vapore acqueo realmente presente in un volume di aria e la massima quantità possibile (in termini di massa) alla stessa temperatura nello stesso volume. Frequentemente espressa in percentuale, con valori compresi tra 0% e 100%. Quando è raggiunto il massimo, il vapore acqueo è saturo. La temperatura dell’aria gioca un ruolo fondamentale: più l’aria è calda, più vapore acqueo può essere presente in un volume dato. È calcolata anche come rapporto tra la pressione di vapore e la pressione di vapore saturo.
John Frederic Daniell [4]
John Frederic Daniell (1790,1845) è stato un chimico e meteorologo inglese. Daniell è conosciuto per aver ideato, nel 1836, un nuovo tipo di pila che migliora il prototipo di Volta dal punto di vista della sicurezza d’uso. La cella Daniell, come fu chiamata quasi immediatamente, utilizza una soluzione di solfato di zinco e una di solfato di rame, anziché una soluzione di acido solforico. Per i meteorologi, Daniell è meglio conosciuto per aver inventato l’igrometro a condensazione che porta il suo nome. Si tratta di un risultato precedente a quello della pila, risalente intorno al 1820. L’invenzione fu annunciata nel suo libro del 1823, Meteorological Essays and Observations, in cui ne riporta anche il disegno. Daniell ideò il suo igrometro per misurare il punto di rugiada dell’aria, una grandezza importante nelle previsioni del tempo. Lo usò per effettuare misurazioni quotidiane del punto di rugiada in funzione della temperatura, i cui risultati sono riportati alla fine del suo libro. Inventò anche un pirometro registratore (1830) e nello stesso anno costruì un barometro ad acqua presso la Royal Society, con il quale effettuò un gran numero di osservazioni. Come chimico ideò un processo che permetteva di ottenere gas illuminante dalla resina di trementina, sfruttato a New York per molto tempo. Daniell morì improvvisamente di ictus in giovane età.
Bibliografia
[1] J.F. Daniell, An Essay Upon the Construction and Uses of a New Hygrometer, in Meteorological Essays and Observations, 1823, Thomas and George Underwood, London, 139.
[2] A. Ganot, Trattato elementare di Fisica Sperimentale ed Applicata e di Meteorologia, versione del dott. Gemello Gorini, 1861, FrancescoPagnoni, Milano,364. https://books.google.it/books?vid=IBNF:CF005788103&redir_esc=y. Provenienza dell’originale: Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze, digitalizzato: 2 ago 2013
[3] C. Chistoni, Modificazione dell’igrometro ad appannamento e cenno storico di questo apparecchio, Annali dell’Ufficio Centrale di Meteorologia, 4 parte I-1882, Roma Tipografia Sinimberghi, 1884, 17. Provenienza dell’originale: Sapienza – Università di Roma (Biblioteca di Fisica), Digitalizzato: 25 ott 2016
[4] John Frederic Daniell, https://it.wikipedia.org/wiki/John_Frederic_Daniell
Autore: Prof.ssa Sandra Morelli, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche, Università di Modena e Reggio Emilia