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Sparavigna, A. (2016). Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - III - Gas perfetti e gas reali. PHILICA.COM Article number 847.

ISSN 1751-3030  
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Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - III - Gas perfetti e gas reali

Amelia Carolina Sparavignaunconfirmed user (Department of Applied Science and Technology, Politecnico di Torino)

Published in physic.philica.com

Abstract
Questo articolo contiene l’ultima parte del ritratto di Amedeo Avogadro che stiamo facendo guidati da un articolo di Eligio Perucca pubblicato nel 1957. Avogadro è ora professore di Fisica Sublime all’Università di Torino, ma non abbandona la ricerca. Continua a occuparsi di correnti elettriche e studia i gas reali. La sua ipotesi sul numero di molecole nei gas del 1811 comincia ad affermarsi, finché coi lavori di Cannizzaro, Loschmidt e Meyer, essa diventa finalmente la “legge di Avogadro”.

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Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - III - Gas perfetti e gas reali

 Amelia Carolina Sparavigna

Department of Applied Science and Technology, Politecnico di Torino

 

Abstract: Questo articolo contiene l’ultima parte del ritratto di Amedeo Avogadro che stiamo facendo guidati da un articolo di Eligio Perucca pubblicato nel 1957. Avogadro è ora professore di Fisica Sublime all’Università di Torino, ma non abbandona la ricerca. Continua a occuparsi di correnti elettriche e studia i gas reali. La sua ipotesi sul numero di molecole nei gas del 1811 comincia ad affermarsi, finché coi lavori di Cannizzaro, Loschmidt e Meyer, essa diventa finalmente la “legge di Avogadro”.

Keywords: History of Science, History of Physics, Amedeo Avogadro, Avogadro Constant,  Ideal gases, Kinetic theory of gases.

 

Introduzione Questo articolo contiene l’ultima parte del ritratto di Amedeo Avogadro che stiamo facendo guidati da un articolo di Eligio Perucca pubblicato nel 1957 [1]. Abbiamo visto in due precedenti articoli l’Avogadro giovane avvocato che si dedica alla fisica coi suoi primi lavori sui dielettrici [2], e poi l’Avogadro che lascia la Prefettura per diventare  "Répétiteur   de  physique"  e professore di fisica a Vercelli e che nel 1811 propone la sua ipotesi sul numero di molecole nei volumi dei gas [3,4]. Adesso lo troviamo professore di Fisica Sublime all’Università di Torino. Ha finalmente un laboratorio dove può dedicarsi allo studio delle correnti elettriche e dei fluidi, e continua anche ad occuparsi di calorimetria. Intanto scrive varie memorie, tra le quali due sono dedicate alla sua ipotesi del 1811, e la monumentale opera “Fisica de' corpi ponderabili”. In tarda età, inizia a cercare una legge che possa descrivere i gas reali. Anche la sua ipotesi del 1811 comincia ad affermarsi, finché, come di dice Perucca [1], coi lavori di Cannizzaro, Loschmidt e Meyer, questa ipotesi diventa la “legge di Avogadro”.

 

La cattedra a Torino Siamo al 1819. Il 19 Settembre, Amedeo Avogadro rinuncia all'insegnamento  vercellese, perché era già sicura la sua  nomina a professore all’Università [1,5]. Intanto, il 21 Novembre 1819 è nominato  Socio effettivo dell’Accademia  delle Scienze  di Torino. Nell'anno accademico 1819-1820 svolge alcuni cicli di lezioni all'Università e la nomina a professore gli arriva con una Lettera Patente del re Vittorio Emanuele I, in data 6 Novembre 1820 [1]. Poco  dopo,  nel  1821,  Avogadro è nominato  Socio  della   Società   Italiana detta   “dei  XL”, ossia dei Quaranta, una società scientifica fondata nel 1782 a Verona.

Quarantacinquenne, può finalmente  trovarsi   in  un  centro   di  studi   superiori,  avrà  un  gabinetto sperimentale universitario; non può mancare il frutto agli studi che subito  intraprende. E infatti sono del 1821 due poderose  memorie entrambe  inserite nei volumi   dell'Accademia di Torino; riguardano la  sua “ipotesi”, l'importanza  di  essa  per  la  chimica  e la  portata  sempre  più  ampia.” [1]

 

Il galvanometro di Avogadro Il  20  Gennaio   1822,  Avogadro comunica all'Accademia di Torino la  costruzione   di “ uno  strumento  atto  a indicare l'esistenza  e misurare la forza  delle  più  deboli correnti  voltiane”,  e il 21 Aprile  successivo  presenta  una  memoria  su tal strumento  e sulle applicazioni dei metalli e della loro elettricità per contatto. Questo  lavoro,  tra la fisica  e la  nascente elettrochimica, è il  primo di  Avogadro sulla  corrente  elettrica [1]. Il nuovo strumento è  costruito sul principio del moltiplicatore di Schweigger appena comparso. Questo moltiplicatore  basa  il suo funzionamento sullo stesso principio dell'esperienza di Oersted, ossia che una corrente elettrica che circola in una spira genera un campo magnetico che devia un ago magnetico posto vicino ad essa. Johann Salomo Christoph Schweigger (1779-1857) realizzò il suo strumento con diverse spire di filo, così che il campo magnetico prodotto veniva moltiplicato. Schweigger chiamò lo strumento “galvanometro”.

L’applicazione di Avogadro era controllare “l'ordre que  gardent  entre  eux  les  différens  métaux  dans  l'électricité  positive ou négative   qu'ils  prennent   par  leur  contact mutuel,  ou du moins  relativement au  sens  du  courant   voltaïque  qu'ils   excitent   par  l'addition  d'un   conducteur humide”, quindi nei conduttori metallici e ionici.

Notiamo che siamo a due anni dalla scoperta di Oersted del 1820. Con la sua scoperta della deviazione dell’ago della bussola provocata dalla corrente, Hans Christian Oersted (1777-1851), fisico e chimico danese, dimostrò che elettricità e magnetismo sono fenomeni collegati. Oersted concluse che la corrente  produce un campo magnetico con linee di forza chiuse intorno alla corrente.

Con il suo strumento e le sue esperienze. Avogadro  osserva  anche  per  primo  alcuni  casi  di  mutamento  del  verso  della  corrente con  la  variazione della  sola  concentrazione  dell’acido usato, più  o meno  diluito, ossia del “conduttore umido” [1].  Indica anche alcuni  casi in cui non  vi è identità tra  la serie di  Volta, con i metalli “eccitati per contatto”, e la sua  serie basata sul verso della corrente ottenuta col “conduttore umido”. [1] I lavori sperimentali di Avogadro erano quindi di fondamentale importanza per distinguere  i conduttori cosiddetti di “prima specie”, ossia i metalli, che seguono la seconda legge di Volta, dai conduttori di “seconda specie”, che non soddisfano tal legge (ricordiamo che, con seconda legge di Volta, oggi si intende quella legge che dice che in una catena di conduttori metallici, diversi tra loro e posti alla stessa temperatura, la differenza di potenziale tra i due metalli estremi è la stessa che si avrebbe se essi fossero a contatto diretto). I fatti sperimentali segnalati  da Avogadro, erano molto interessanti, ma “anche  questa bella  memoria  di Avogadro, pur  largamente  citata, ad esempio, nel trattato di Wiedemann, non  ebbe  la  risonanza   che meritava.” [1]

 

Il Professore di Fisica Sublime Con l’arrivo alla cattedra di fisica dell’Università, sembra che Amedeo Avogadro abbia finalmente raggiunto uno status che gli permette di continuare tranquillamente i suoi studi scientifici. Ma non è così. Siamo infatti nel periodo dei moti del 1820-21, rivoluzioni organizzate da società segrete, come la Carboneria, che avevano finalità costituzionali, liberali e, in Italia, anche talora indipendentistiche e unitarie.

Anche il Piemonte ha la sua rivoluzione, che vede coinvolti alcuni nobili e una piccola parte dell’esercito; la popolazione invece era indifferente. Durante i moti del 1821, che chiedevano la costituzione e la liberazione di Milano dagli austriaci, il re Vittorio Emanuele I, fermo nel suo rifiuto di concedere la costituzione, abdicò in favore del fratello Carlo Felice. Dato che il nuovo re era a Modena, lasciò a Torino Carlo Alberto come reggente che concesse la costituzione.

Arrivato a Torino il 16 marzo del 1821,  il nuovo re  dichiara ribelli gli aderenti alla rivoluzione e sconfessava l’operato di Carlo Alberto, che viene mandato a Novara presso le truppe fedeli al monarca.

Tra i provvedimenti repressivi di Carlo Felice troviamo anche il decreto del 24 Luglio 1822 che  sopprime   alcune   cattedre  universitarie   tra   le  quali  è quella  di “fisica sublime”, cioè la cattedra di Fisica all’Università.  È noto  quali  colpe  macchiassero l'Alma  Mater  di  Torino:   nei  suoi  giovani fu  il  fermento   delle  “prime  splüe”,  le  prime  scintille  ancor  solo vagamente consapevoli   del  risorgimento.” [1] Non è noto quali colpe  gravassero sul  professore di fisica, “che [se] ci è facile immaginar  col cervello  pieno di molecole  integranti,  ci  è  difficile  immaginar  nelle  vesti   del  cospiratore.” [1] Ispezioni fatte per l'occasione lo trovarono esente da  connivenze. Era finito in una rappresaglia dovuta al clima dell’epoca. Come dice Wikipedia, per un sospetto entusiasmo per questi movimenti,  l'università  era stata  “lieta di permettere a questo interessante  scienziato,  di  prendere  una  pausa di riposo dai pesanti doveri dell'insegnamento, in modo da essere in grado di dare una migliore attenzione alle sue ricerche.” [6]

A proposito di quanto gli era accaduto, Perucca ci dice che Avogadro non ne parla. Nell’immensa mole di pagine vergate di suo pugno, raccolte nella Biblioteca Civica, non si trova “un cenno che amarezza, scoraggiamento, irritazione,  ribellione  lo invadano, o almeno  alberghino in lui.” [1] Egli  continua le sue ricerche di fisica e chimica. La cattedra gli viene restituita con  nomina  del  28  Novembre 1834 di re Carlo Alberto, per “l'insegnamento  provvisionale”, finché altrimenti disposto.  In verità gli viene data dopo che l’aveva lasciata Cauchy, che l’aveva tenuta per un anno [6]. Il 10 Dicembre 1848, il Consiglio universitario chiede al Magistrato    della   Riforma  che Avogadro sia  nominato  Professore  effettivo.   Secondo Perucca, “non  risulta   che  la  proposta abbia  avuto   seguito.”

Tornato alla cattedra, Avogadro non si limita all’insegnamento.    Riprende antichi  argomenti di studio,  come per esempio i calori specifici, presentando il suo lavoro al Congresso di Torino [7], e non  si stanca  di studiare nuovi problemi. Uno di questi è la  capillarità [1]. Di  questo  periodo è la  sua  “Fisica  de' corpi  ponderabili,  ossia  Trattato  della  costituzione generale dei  corpi” . Il trattato è composto di quattro  volumi  in Italiano, di circa  mille pagine  ciascuno, dedicati al re Carlo Alberto. 

 

La legge dei gas reali Concluso il  trattato  di  fisica,   Avogadro  ha ancora quasi un decennio  di lavoro all’università.  In questo periodo si dedica  sostanzialmente ad un gruppo di quattro  memorie   sui  volumi  atomici,  che sono opere di chimica [1]. Il 21 Agosto 1850 propone alle autorità   accademiche il suo programma del prossimo anno accademico, ma alla fine dell’anno, il  settantaquattrenne Avogadro rinuncia   alla  cattedra [1]. Non rinuncia al lavoro scientifico però,  continuando ancora  a  scrivere  i suoi  appunti. In questi scritti, annota ciò che avviene nella scienza.

Il  22  Giugno  1851 legge all'Accademia   delle  Scienze  di  Torino  la  sua  ultima  memoria  “sur  les conséquences  qu'on  peut  déduire  des expériences  de M. Regnault sur la loi de compressibilité des  gas” [8]. Queste esperienze di Regnault, sono importantissime per la fisica, perché fissano il diverso comportamento dei gas reali dai gas perfetti [1].

Henri-Victor Regnault (1810-1878) è stato un chimico e fisico francese. Lo abbiamo già trovato prima, quando si parlava di calori specifici. Queste ricerche lo avevano portarono ad ideare il calorimetro delle mescolanze o, appunto, calorimetro di Regnault. Con questo calorimetro si trova il calore specifico di un corpo determinando la quantità di calore ceduta da esso all’acqua nel calorimetro (ed al suo equivalente in acqua), attraverso la misura dell'innalzamento della temperatura dell'acqua.

Per Perucca, nella scienza odierna l'ultima memoria di Avogadro non prende rilevanza nell’ambito della scienza, ma essa  va  ricordata  perché lo si può vedere come il suo testamento scientifico, conforme  a quello che “per cinquant'anni  fu  il suo programma di ricerca: dal groviglio dei fenomeni, dei valori  numerici trai  la legge; si  direbbe che questa  goda  di restar  nascosta  e  ardua  impresa  è il rintracciarla,  ma  è l'impresa degna  dello  spirito  umano. È la “fisica sublime”, la scienza  professata dal Nostro”. [1]

Quale è l’ultima ricerca di Avogadro ormai settantacinquenne? E’ la legge che governa i gas reali. Non ci riesce, ma anche altri falliscono e sono scienziati quali Thomson, Joule, Maxwell, Meyer, Clausius, …[1]  Solo molto anni dopo questa memoria di Avogadro,  Van der Waals riuscirà a darne una legge che porta il suo nome, la legge di Van der Waals. Essa è un'estensione della legge dei gas perfetti, che consente una migliore descrizione dello stato gassoso per le alte pressioni e in prossimità del punto di liquefazione.  Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), secondo Wikipedia, la propose in un lavoro del 1873 (Over de Continuïteit van den Gas - en Vloeistoftoestand, Sulla continuità dello stato liquido e gassoso). Per la formulazione di questa legge lo studioso fu insignito del Premio Nobel per la fisica nel 1910 [9].

Amedeo Avogadro muore il 9 Luglio del 1856.   

 

La teoria cinetica dei gas Poco dopo la morte di Avogadro,  la  teoria  cinetica  dei  gas  esplode”. Con data  Luglio  1856, August Karl Krönig, allora professore  in un liceo (Könìgliche Realschule)  di Berlino pubblica  i suoi  Grundzüge  einer   Theorie   der Gase [3]. Su  di  un  terreno  ormai  ben  preparato  per  la  teoria cinetica  del  calore, il  lavoro  di  Krönig, ci dice Perucca, fa  l'effetto   di  una  bomba.  In questo lavoro Krönig propone un’ipotesi che spiega le leggi di Mariotte e Gay-Lussac dei gas. L’ipotesi è che le molecole siano come delle sferette elastiche in numero grandissimo nel volume ma così piccole da occuparne una minima frazione. Krönig aggiunge anche l'ipotesi che l’energia cinetica media delle  particelle possa  essere usata per determinare la temperatura assoluta del gas. Egli mostra inoltre che nel gas,  a parità  di volume,  pressione  e temperatura,  è contenuto  lo stesso  numero  di molecole, qualunque  ne sia  la  natura  chimica. Krönig però non  dice  che  questa  è  la  legge  di  Avogadro; probabilmente non la conosceva [1].

Per merito di  Clausius e Maxwell, la teoria cinetica dei gas cresce fino a diventare la meccanica  statistica  classica delle particelle. “E Avogadro? Ora sta  ai  fisici  non  ignorarlo.” Secondo Perucca, si deve attendere il libro di Meyer [10], perché nella teoria cinetica sia universalmente segnalato il nome  di Avogadro, accanto alla sua “regola”.

Inoltre, due fatti sono finalmente avvenuti. Il primo dei due fatti è stato il riconoscimento da parte dei chimici dell'importanza della legge di Avogadro, fino ad allora poco considerata o addirittura ignorata. Tale riconoscimento avvenne grazie all’opera di Stanislao Cannizzaro nel 1858. Stanislao Cannizzaro (1826-1910), chimico e politico italiano, nacque a Palermo. Nel 1841, all'età di appena 15 anni, si iscrive all'Università degli Studi di Palermo, che allora aveva medicina come unica laurea scientifica [11]. Nel 1845, è a Napoli per il Congresso degli scienziati italiani, dove gli viene offerto un posto al Laboratorio di chimica dell'Università di Pisa. Tornato in Sicilia nel 1847, dopo i moti rivoluzionari che vi avvengono e a cui partecipa, è costretto nel 1849 a rifugiarsi in Francia ed a Parigi svolge ricerche in chimica che lo portano nel 1851 ad ottenere la cianammide. Nello stesso anno ottiene la cattedra di chimica e fisica al Collegio Nazionale di Alessandria, dove, nell'autunno del 1855 scopre quella che ora è la “reazione di Cannizzaro” [11]. Poi, nel 1855 viene chiamato alla cattedra di chimica dell'Università degli Studi di Genova. Nel Sunto  per il corso di chimica [11,12], pubblicato nel 1858, viene per la prima volta formulata una precisa teoria atomica basata sul principio di Avogadro. Viene enunciata la regola, ora nota come regola di Cannizzaro, che permette la determinazione del peso atomico di un elemento chimico. Tale regola servì anche a dare la giusta importanza alla legge di Avogadro [11].

Il secondo fatto determinante per il successo della legge di Avogadro è stata la determinazione sperimentale del numero di molecole “integranti” che avrebbe dovuto essere lo stesso, a parità di volume, per un qualunque gas [3]. Si deve aspettare fino al 1865, quando Johann Joseph Loschmidt (1821-1895), fisico austriaco, determina la costante di Loschmidt, il numero di molecole contenute in un qualsiasi centimetro cubo di gas a temperatura 273 K e pressione di 760 mmHg. La costante di Loschmidt è diversa dalla costante di Avogadro che riguarda il numero di particelle contenute in un volume di 22,4 litri. Loschmidt, in modo ancora rudimentale ma già ben approssimato [1], ottiene  dalla teoria  cinetica dei gas il valore di circa 1019 molecole  al  (cm)3 . Come sottolinea Perucca, questo numero diventa un oggetto misurabile e non più un numero astratto di cui accettare l’esistenza, e ciò contribuisce a riconoscere l’importanza dell’ipotesi di Avogadro.

Con Cannizzaro, Loschmidt e Meyer, l’ipotesi di Avogadro diventa la “legge di Avogadro”. Nel 1887 Jacobus Henricus Van’t Hoff  ne dimostra la validità anche per le soluzioni diluite. Come ci spiega Perucca, Van’t Hoff ne annuncia l'estensione con parole così ammirate che la  memoria di Avogadro del 1811 è ripubblicata nel 1889 nella  raccolta  di Ostwald dei  Klassiker   der Wissenschaften [1]. Finalmente Amedeo Avogadro ha il giusto riconoscimento. Il suo numero diventa una costante, la costante di Avogadro, che oggi noi tutti conosciamo essere di 6,022·1023 molecole/mole.

 

References

[1] Perucca, E. (1957). La vita e l’opera di Amedeo Avogadro. Il Nuovo Cimento Series 10, 6(1), 10-27.

[2] Sparavigna, A. C. (2016). Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - I - I primi studi. PHILICA Article number 843.

[3] Sparavigna, A. C. (2016). Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - II - Ipotesi sul numero di molecole nei volumi dei gas e lavori sui calori specifici. PHILICA Article number 846.

[4] Avogadro, A. (1811) Essai d’une manière de déterminer les masses relatives des molécules élémentaires des corps, et les proportions selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons. Journal de Physique, par J.-C. Delamétherie. Juillet 1811, Tome LXXIII, 56-76. Paris.

[5] Guareschi, I. (1911). Amedeo Avogadro, relazione tenuta il 24 settembre del 1911 nell'ambito delle onoranze centenarie ad Amedeo Avogadro. Atti della Reale Accademia delle Scienze di Torino.

[6] Vv. Aa. (2016). Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Amedeo_Avogadro

[7] Sparavigna, A. C.  (2016). Specific heat and electronegativity in the talks given by Amedeo Avogadro in the Congress of the Italian Scientists held in Turin in 1840. PHILICA Article number 839.

[8] Avogadro, A. (1853). Mémoire sur les conséquences qu’on peut déduire des expériences de M. Regnault sur la loi de compressibilité des gaz, Memorie della Reale Accademia delle Scienze di Torino, (2) XIII, 171-242.

[9] Vv. Aa. (2016). Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_van_der_Waals

[10] Meyer, O. E. (1877). Die  kinetische Theorie  der  Gäse, Breslau.

[11] Vv. Aa. (2016). Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Stanislao_Cannizzaro

[12] S. Cannizzaro, S. (1858). Sunto di un corso di filosofia chimica. Nuovo Cimento Vol. 7, pp. 321-366. http://www.minerva.unito.it/Storia/Cannizzaro/Sunto/index.html




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This Article was published on 24th October, 2016 at 18:38:54 and has been viewed 721 times.

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Sparavigna, A. (2016). Amedeo Avogadro e la Fisica Sublime - III - Gas perfetti e gas reali. PHILICA.COM Article number 847.


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