Liquidi per Termometri: Mercurio, Alcol e la Scienza della Bagnabilità
Requisiti dei Fluidi Termometrici
- Elevato coefficiente di dilatazione termica lineare.
- Ampio range liquido (basso punto di congelamento, alto di ebollizione).
- Buona conduttività termica.
- Capacità di bagnare: Forma colonna continua nel capillare (forze adesive > coesive).
- Bassa pressione di vapore, non tossico (ideale), visibile.
Mercurio (Hg)
| Proprietà | Valore |
|---|
| Punto di Congelamento | -38,8°C (-37,9°F) |
| Punto di Ebollizione | 356,7°C (674°F) |
| Coefficiente di Dilatazione | 0,000181/°C (alto, lineare) |
| Tensione Superficiale | 485 mN/m (molto alta) |
| Bagnabilità del Vetro | Eccellente (menisco convesso) |
| Tossicità | Alta (neurotossico); pericolo ambientale |
L'elevata tensione superficiale del mercurio causa un menisco convesso; bagna bene il vetro per forte adesione Hg-SiO₂. Eliminato clinicamente (OMS, Convenzione di Minamata).
Alcol (Etanolo/Toluene/Pentano)
| Proprietà | Etanolo | Toluene | Pentano |
|---|
| Punto di Congelamento | -114°C | -95°C | -130°C |
| Punto di Ebollizione | 78°C | 111°C | 36°C |
| Coefficiente di Dilatazione | 0,0011/°C (6× Hg) | 0,0011/°C | 0,0016/°C |
| Tensione Superficiale | 22 mN/m | 28 mN/m | 16 mN/m |
| Bagnabilità del Vetro | Scarsa (menisco concavo, forma gocce) | Scarsa | Scarsa |
| Tossicità | Bassa (infiammabile) | Moderata | Alta (infiammabile) |
Il Problema della Bagnabilità e Soluzioni
Bagnabilità = forze adesive (liquido-solido) > forze coesive (liquido-liquido).
- Mercurio: Alta coesione (legami metallici) ma forte adesione a SiO₂ → bagna.
- Alcoli/organici: Bassa coesione (van der Waals) ma debole adesione a vetro pulito → scarsa bagnabilità (formazione gocce).
Soluzioni per Termometri ad Alcol
- Trattamento Superficiale: Rivestimento silanico, incisione acido cromico, trattamento al plasma → aumenta energia superficiale → idrofilo.
- Surfactanti: Additivi traccia riducono ulteriormente la tensione superficiale.
- Design Capillare: Foro stretto forza continuità colonna (legge di Jurin: h = 2γcosθ/ρgr).
Alternative Moderne
- Galinstan (lega Ga-In-Sn): Liquido a temperatura ambiente (-19°C), non tossico, alta dilatazione, bagna vetro con strato d'ossido.
- Sensori Digitali: Termistori, RTD, termocoppie, IR – nessun fluido necessario.
Nota Storica
- Galileo (1593): Termoscopio ad aria (senza liquido).
- Fahrenheit (1714): Termometro a mercurio (scala standardizzata).
- Celsius (1742): Scala centigrada.
La bagnabilità è essenziale per la termometria a liquido in vetro. Il mercurio eccelle naturalmente; gli organici richiedono ingegneria. La pratica moderna predilige sensori digitali per sicurezza e precisione.