Termostato bimetallico · The Last Codex

Il termostato bimetallico tiene costante una temperatura con una lamina fatta di due metalli uniti faccia contro faccia. Uno si dilata più dell’altro quando si scalda, la lamina si piega e il suo movimento apre o chiude una serranda, una valvola o un contatto elettrico. Jean Simon Bonnemain descrisse nel 1782 un regolatore di calore mosso dalla dilatazione diversa del ferro e dell’ottone; Andrew Ure chiamò termostato la lamina rivettata verso il 1830.

Che cos’è

Un termostato tiene una temperatura vicina a un valore scelto lasciando entrare più o meno calore. In un termostato bimetallico la parte che sente la temperatura è una lamina formata da due metalli che si dilatano in misura diversa, uniti per tutta la lunghezza. Non ha bisogno di energia propria: il calore piega la lamina, e la piegatura fa il lavoro.

Nel tipo che Andrew Ure descrisse nel 1839 nel suo Dictionary of Arts, Manufactures, and Mines, una barra diritta d’ottone e d’acciaio rivettati faccia contro faccia è fissata a un’estremità. L’estremità libera tira una leva che fa ruotare una serranda in un tubo che porta aria calda in una stanza. Quando la stanza si scalda, la barra si piega e la serranda si chiude; quando si raffredda, la barra si raddrizza e la serranda si riapre. Ure indicava usi nelle serre, nei bagnomaria, negli alambicchi, nelle caldaie e nell’aerazione delle stanze.

Come funziona

La stessa lamina d’ottone rivettata sull’acciaio, disegnata due volte e fissata a un’estremità in un blocco di ferro: diritta a freddo, curvata verso il basso quando la scalda una candela sottostante, con l’ottone all’esterno della curva Scaldandosi, l’ottone si allunga più dell’acciaio e deve occupare il lato esterno, più lungo, della curva.

I solidi si allungano un poco quando si scaldano, e non tutti della stessa misura: l’ottone più dell’acciaio, l’alluminio più della carta. Se due lamine sono unite così saldamente da non poter scorrere l’una sull’altra, quella che si allunga di più deve occupare il lato esterno, più lungo, di una curva. La lamina si piega quindi verso il metallo che si dilata di meno, e si raddrizza raffreddandosi. Un termometro usa la dilatazione di un liquido per dare una lettura; la lamina trasforma la dilatazione in un movimento capace di spingere una leva.

Il movimento è piccolo e dipende dalla lamina. Stephen Timoshenko, che ne elaborò la teoria nel 1925, mostrò che la curvatura cresce con la differenza di dilatazione fra i due metalli e con la variazione di temperatura, e che una lamina più sottile si piega di più. Una lamina più lunga sposta di più la sua punta. Ure dispose barre a spirale intorno a una serranda girevole e Warren Johnson avvolse la sua lamina a spirale; Ure usava anche leve per ingrandire il movimento prima che arrivasse alla valvola o alla serranda.

Ciò che il movimento comanda dipende dall’apparecchio. Nei regolatori di Bonnemain e di Ure la barra gira a poco a poco una serranda o un rubinetto, così che l’afflusso di calore segue la temperatura. In un termostato elettrico la lamina apre o chiude un contatto, che accende o spegne un circuito. In ogni caso si può scegliere la temperatura: con un dado di regolazione sul tirante, con una vite che sposta l’estremità fissa o con un contatto che si avvicina o si allontana. Ciascuno cambia quanto la lamina deve piegarsi prima di agire.

Come si fa

Una striscia di carta bianca incollata su un foglio d’alluminio, tenuta in una molletta da bucato di legno su un blocchetto e piegata verso l’alto, lontano da un piccolo contatto d’alluminio su un secondo blocchetto, sopra un barattolo di vetro chiuso pieno d’acqua, con fili verso un portabatterie per due pile AA, una resistenza e un LED spento Scaldata dal basso, la striscia di carta e alluminio si piega, lascia il contatto e spegne il LED.

Una striscia di alluminio da cucina incollata sulla carta si piega come un bimetallo, perché l’alluminio si dilata più della carta; i centri della scienza la usano per mostrare l’effetto. Tagliate una striscia di carta da stampante e una di alluminio, larghe circa 1 cm e lunghe 20 cm, e incollatele per tutta la lunghezza con la colla stick, eliminando le bolle. Preparate una seconda striscia di carta incollata su carta, come confronto. Lasciatele asciugare in piano per una notte.

Per farne un termostato, incollate una molletta da bucato di legno su un blocchetto e serratevi un capo della striscia d’alluminio, con l’alluminio in basso, in modo che sporga in orizzontale. Incollate un quadratino d’alluminio su un secondo blocchetto messo sotto l’estremità libera, così che la punta della striscia vi appoggi sopra. Collegate in un anello un portabatterie per due pile AA, un LED rosso e una resistenza da circa 100 ohm, e interrompete l’anello alla striscia: un filo è premuto contro l’alluminio dentro la molletta, l’altro è fissato con nastro adesivo sul quadratino. Mettete il piedino più lungo del LED dalla parte del polo positivo. Quando la striscia appoggia sul contatto il LED si accende; qui fa la parte del riscaldamento.

Riempite un barattolo di vetro con acqua calda del rubinetto, avvitate bene il coperchio perché non esca vapore, asciugate l’esterno e mettetelo sotto il centro della striscia, qualche centimetro più in basso. Scaldandosi, la striscia si piega verso l’alto, la punta lascia il contatto e il LED si spegne: il riscaldamento è staccato. Togliete il barattolo: raffreddandosi, la striscia si appiattisce, tocca di nuovo il contatto e il LED si riaccende. Tenete allo stesso modo sopra il barattolo la striscia di sola carta: si muove appena, perché i suoi due strati si dilatano allo stesso modo. Alzare o abbassare il blocchetto del contatto cambia il calore al quale la luce si spegne, come il dado di regolazione del termostato di Ure.

Storia ed evoluzione

Gli orologiai incontrarono il problema per primi, perché l’asta di un pendolo si allunga col caldo e l’orologio ritarda. Fra il 1725 e il 1728 John Harrison mise a punto un pendolo a graticola con aste alternate di due metalli, disposte in modo che la dilatazione dell’uno compensasse quella dell’altro, e lo montò sugli orologi di precisione che costruiva con il fratello James. Per il suo terzo orologio da marina, H3, iniziato nel 1740, fece una lamina d’ottone e d’acciaio uniti, che i Royal Museums Greenwich contano fra le invenzioni durature di quell’orologio. In H4, del 1759, la lamina che Harrison chiamava il suo thermometer kirb porta all’estremità libera i perni che tengono la spirale del bilanciere, così che la lunghezza attiva della spirale cambia con la temperatura. Queste lamine correggevano la marcia di un orologio e non regolavano alcun calore.

Una piccola caldaia di rame su un focolare di mattoni, in sezione: un tubo di piombo nell’acqua con un’asta di ferro all’interno, in alto un collare d’ottone che solleva una leva a squadra, un bilanciere con contrappeso e un’asta che scende verso uno sportello basculante sulla presa d’aria del fuoco, e un piccolo quadrante in cima Il regolatore di Bonnemain come fu pubblicato: il tubo di piombo si allunga più dell’asta di ferro che contiene e chiude la presa d’aria del fuoco.

Il più antico regolatore di calore datato mosso da due metalli è francese. Il 14 agosto 1782 Jean Simon Bonnemain depositò all’Accademia delle scienze di Parigi una memoria sigillata sul suo «régulateur du feu», con disegni. La storica Emmanuelle Gallo, che l’ha studiata, descrive una doppia asta di ferro e ottone la cui dilatazione diversa muoveva una leva; questa apriva o chiudeva uno sportello che lasciava entrare l’aria nel forno, e regolava così la forza del fuoco. Bonnemain lo usò sulle incubatrici dell’allevamento di polli che gestiva vicino a Parigi, e indicò fra i suoi usi le serre, i bagni e il riscaldamento delle carrozze. Lo storico della tecnica Otto Mayr data il suo brevetto al 1783. La versione che Bonnemain pubblicò nel 1824, e che Andrew Ure descrisse nel 1839, aveva un’asta di ferro dentro un tubo di piombo immerso nell’acqua della caldaia, e un quadrante per regolarla fra calore forte e calore debole.

Ure, chimico scozzese che aveva conosciuto Bonnemain a Parigi verso il 1815, brevettò un regolatore formato da due barre sottili di metalli diversi, rivettate o saldate faccia contro faccia. Nel suo Dictionary indica l’anno 1831, altre fonti il 1830. Lo chiamò termostato. Due lunghe righe, una d’acciaio e una d’ottone battuto a martello, muovevano leve che azionavano valvole, rubinetti, serrande di stufe e ventilatori, con lo scopo, scrisse, di regolare la temperatura e non soltanto di indicarla.

Nel 1883 Warren S. Johnson, insegnante alla State Normal School di Whitewater, nel Wisconsin, brevettò un «tele-termoscopio» elettrico. Una spirale d’ottone e d’acciaio da molla inclinava un bilanciere le cui punte pescavano in vaschette di mercurio; il circuito così chiuso indicava se la stanza era troppo fredda o troppo calda e faceva suonare un campanello per l’addetto. L’azienda che fondò divenne la Johnson Controls. I Royal Museums Greenwich ricordano che la lamina bimetallica si usa ancora in termostati di ogni tipo.