De thermometer van Daniel Fahrenheit

De situatie was dat iedereen die natuurkundige experimenten deed, zelf zijn thermometers maakte of liet maken, met een eigen schaalverdeling. Die schaal was aanvankelijk ruw, in de geest van: zeer koud, koud, lauw, warm, zeer warm.

In de loop van de zestiende eeuw begon men met graden te rekenen, maar ieder had zijn eigen methode. De gebruikelijke ijkpunten waren smeltend ijs, de lichaamstemperatuur in de mond van een gezond mens ('bloedwarmte') en kokend water.

Een groot bezwaar was dat twee thermometers nooit hetzelfde aanwezen. Het was dus onmogelijk om een experiment met een andere thermometer te herhalen, (tenzij die geijkt was op het eerste exemplaar) en wetenschappers konden elkaars waarnemingen ook niet vergelijken.

Fahrenheit schreef hierover later in een brief aan Boerhaave, op 17 april 1729: 'Bij voorbeeld. Ik wilde dat een liefhebber, aan wien ik een thermometer van mijn maaksel niet kost overzenden, zig een thermometer maakte twelk met het mijne overeenkwam; zoo zoude ik hem alleenlijk recommandeeren, dat hij zig een quik thermometer most maaken, wiens pijp op alle plaatsen gelijkwijdig was, en wiens cylinder niet alte groot was (en vermits mij de uytzetting van zijn glas onbekend was, zoo zoude ik ik hem raaden dat hij de proportie van 't Potsdammer most gebruyken). Wanneer hij dit thermometer uyt een mengsel van waater en ijs in kookend stelde, en daarbij de swaarte des dampkrings ten tijde van de proefneeming observeerde, zoo zoude hij dit spatium in 205 a 212 gr. moeten verdeelen en onder den terminum vant bevriezen des waters nog 32 gr. daarbij voegen, en dan zoude hij een thermometer hebben, twelk op alle graaden met het mijne accordeerde.'

Vergiftigde paddestoelen

De oplossing was: uniforme thermometers. Fahrenheit, een man zonder wetenschappelijke opleiding, slaagde erin die te maken. Hij werd in 1686 geboren in Danzig, Gdansk in het huidige Polen, in een welvarende koopmansfamilie. Maar in l701 stierven zijn beide ouders door het eten van vergiftigde paddestoelen. De jonge Daniel werd naar het Amsterdamse koopmanshuis Van Beuningen gestuurd om het vak te leren, maar dat mislukte. De jongen ging om met slecht volk, stal geld, en liep herhaalde malen weg. Tenslotte lieten zijn Poolse voogden een arrestatiebevel uitgaan; zij wilden hem naar Indie sturen. Fahrenheit vluchtte, zwierf door Europa en kwam in 1708 terecht bij de beroemde sterrenkundige, tevens burgemeester van Kopenhagen, Ole Romer. De twee sloten vriendschap en waarschijnlijk door bemiddeling van Romer werd het arrestatiebevel ingetrokken.

Fahrenheit raakte geinteresseerd in temperatuurmeting toen hij Romer aan het werk zag en de problemen hoorde. Hij besloot om nauwkeurige, uniforme thermometers op commerciele schaal te gaan maken. Hij stuitte daarbij op een serie problemen, die hij in de loop van ongeveer tien jaar oploste. De experimenten kostten hem veel geld, maar dank zij de erfenis van zijn ouders kon hij zich dat lang permitteren.

Uitzettingscoefficient

De Pool probeerde eerst om de uitzettingscoefficient van alcohol vast te stellen. Dat was moeilijk omdat ethylalcohol ('wyngeest') niet altijd zuiver en dus verschillend van samenstelling was. Bovendien kookte alcohol al bij 78 graden C. (172 graden F.); deze stof was dus onbruikbaar bij hogere temperaturen.

Daarom stapte hij later over op kwik, dat die nadelen niet had. Bij een serie proeven stelde hij vast dat als een hoeveelheid kwik wordt verhit van 0 graden tot 96 graden, het volume toeneemt met een 120-ste. (Bij Fahrenheit lag het vriespunt van water op 32 graden, en 96 graden was ongeveer de 'bloedwarmte' van een gezond mens. Het nulpunt op die schaal lag dus ver onder het vriespunt; hij bereikte dat door superkoeling van water met een mengsel van smeltende sneeuw en ammoniumchloride). Fahrenheit nam vervolgens als rekeneenheid de hoeveelheid kwik tussen twee graadstreepjes in de capillaire buis (een graad dus). Hij berekende met de simpele vergelijking 1/120 = 96/11.520, dat er 11.520 eenheden kwik van 0 graden nodig waren om te bereiken, dat de kolom bij verhitting van het kwik tot 96 graden ook precies bij het streepje van 96 zou staan. Dat kon alleen als alles met de uiterste precisie gebeurde. De getrokken capillaire buizen moesten een even grote boring hebben, en het reservoir mocht niet groter of kleiner zijn dan 11.520 eenheden. Als de thermometer klaar was en op de standaard gegraveerde schaal moest worden bevestigd, kon er wel iets naar boven of beneden worden geschoven, maar niet meer dan vijf graden.

Niet minder cruciaal was het afmeten van de juiste hoeveelheid kwik: daar mocht de afwijking slechts 5 deeltjes op 11.520 zijn, een tolerantie van 0,05 procent.

Capillaire glazen buizen waren normaal in de handel, maar zij voldeden niet aan de eis van uniformiteit. Fahrenheit reisde daarom naar Berlijn en Bohemen om de glasblazers persoonlijk te vertellen wat hij wilde. Vermoedelijk om commerciele redenen deed de Pool nogal geheimzinnig over de technische trucs die hij toepaste. Zo weten wij nog steeds niet precies, hoe hij zijn thermometers met kwik vulde. Vermoedelijk liet hij zijn glasblazers eerst aan het eind van een lange capillaire buis een reservoir van de juiste grootte blazen. Aan het andere, open einde werd tijdelijk een glazen trechter vastgesmolten en daarin kwam kwik.

De thermometers want waarschijnlijk maakte Fahrenheit series werden in een bak met olie gezet. De olie werd verhit, zodat de lucht uit het onderste reservoir en de capillaire buis door het kwik werd gedreven. Wanneer de olie afkoelde, werd het kwik uit de trechters door onderdruk als het ware naar beneden gezogen. Het proces werd herhaald totdat alle lucht verdwenen was. Vervolgens werd de capillaire buis op het juiste punt verzegeld, dat wil zeggen dichtgesmolten. Doorgaans was dat op 600 graden F, het kookpunt van kwik. Bij afkoeling moest het kwik dan tot precies 0 graden dalen. Men mag aannemen, dat slechts een klein deel van de thermometers aan de eisen voldeed.

Boheems glas

In 1717 of 1718 verhuisde Fahrenheit van Berlijn naar Amsterdam, in een huis op de hoek van de Leidsestraat en de Keizersgracht. Daar maakte hij thermometers in serie en trots stuurde hij alcohol- en kwikthermometers naar beroemde geleerden als Boerhaave en Leibniz, waarschijnlijk ook als vorm van reclame. De belofte was dat ze precies dezelfde temperatuur aanwezen, maar hij kreeg klachten: er waren afwijkingen.

Fahrenheit controleerde het hele proces stap voor stap en tenslotte bleef er een mogelijke bron van fouten over: het glas. In Berlijn had hij Boheems glas gebruikt, in Amsterdam glas uit Amersfoort. Kon er een verschil in uitzettingscoefficient zijn? Hij verhitte gelijke hoeveelheden kwik in reservoirs van Boheems, Amersfoorts, Engels, Thurings en Amsterdams glas, en vond inderdaad verschillende waarden. De oplossing was dus dat er een soort glas gebruikt moest woren.

Rond 1721 had hij alle moeilijkheden onder de knie en hij begon op commerciele schaal thermometers te maken. Een nadeel bleef echter, dat de wetenschappelijke wereld verschillende schalen hanteerde. De Engelse instrumentmakers gebruikten over het algemeen de schaal van Fahrenheit, en zij zouden dat meer dan twee eeuwen blijven doen. De Fransman Reaumur kwam in 1730 echter met een schaal waarbij vries- en kookpunt van water respectievelijk op 0 en 80 graden werden gesteld. Een Zweeds geleerde, Anders Celsius, bepaalde het kookpunt van water op 0 graden, en het vriespunt op 100 graden.

Wie deze getallen heeft omgedraaid is niet geheel duidelijk: de ene bron geeft Linneaus, de andere Jean Pierre Christin uit Lyon. In elk geval is de naam van Celsius verbonden aan de schaal zoals wij die nu gebruiken, enigszins ten onrechte dus.

Perpetuum mobile

Fahrenheit maakte niet alleen thermometers en barometers. Met de winst van die handel en zijn erfenis deed hij proeven op de vreemdste gebieden, ten dele op verzoek van Boerhaave. Hij maakte een nieuw soort telescoop, zocht naar het perpetuum mobile, ontwikkelde een waterpomp die de Hollandse molens kon vervangen en hij maakte een kwikklok voor accurate tijdsbepaling op zee. Daarmee hoopte hij de 20.000 pond binnen te halen die de Royal Society had uitgeloofd voor een methode om de lengtepositie van schepen op zee te bepalen.

Dat lukte niet, en de Hollanders zagen ook niets in zijn waterpomp. Fahrenheit deed wel belangrijke ontdekkingen, onder andere dat het kookpunt van vloeistoffen afhankelijk is van de barometrische druk, en de superkoeling van water. Maar dat alles leverde geen geld op.

De amateur-geleerde stierf op vijftigjarige leeftijd in Den Haag en werd begraven in de Kloosterkerk. Zijn inboedel, boeken en wetenschappelijke instrumenten brachten bij een veiling in Amsterdam op 5 december 1737 maar 500 gulden op. Tijd om te trouwen had hij nooit gehad. Fahrenheits letters tot Leibniz and Boerhaave, P. van der Star, Museum Boerhaave Leiden.

Fotobijschrift: Vermoedelijk bestaan er nog drie originele thermometers van Fahrenheit. Een is in het Universiteitsmuseum in Utrecht (in bruikleen van de Sterrewacht), twee exemplaren zijn in bezit van Museum Boerhaave te Leiden, dat is verhuisd en volgend voorjaar weer open gaat.

Deze thermometer uit Leiden schonk Fahrenheit in 1718 aan 's-Gravesande. De schaal loopt tot 600 graden F., het kookpunt van kwik.