Robert Boyle: biografia, legge di Boyle, moto perpetuo e altre scoperte

Robert Boyle: biografia, legge di Boyle, moto perpetuo e altre scoperte A cura di Brunella Appicciafuoco.

Robert Boyle, chimico e scettico, è noto per aver studiato il moto perpetuo. Una legge (e un vaso) portano il suo nome

1Robert Boyle: biografia

Robert Boyle è autore di "The sceptical chymist", considerato il primo testo di chimica
Robert Boyle è autore di "The sceptical chymist", considerato il primo testo di chimica — Fonte: getty-images

Robert Boyle fu un fisico e chimico irlandese. Nacque il 27 gennaio 1627 nella contea di Waterford, settimo figlio del conte di Cork. A sette anni entrò nel collegio inglese di Eton, e a partire dal 1638 intraprese un lungo viaggio di istruzione in Europa, principalmente tra Francia, Svizzera e Italia, durante il quale sviluppò un forte interesse per l’ambito scientifico. 

Nel 1644 rientrò in Inghilterra e, intorno al 1650, allestì un laboratorio nella sua residenza, dove svolse i primi esperimenti dedicandosi anche alla lettura di scritti di filosofia naturale e teologia. In questi anni Boyle acquisì il metodo sperimentale che caratterizzerà tutta la sua attività scientifica. Alla fine del 1655 si stabilì a Oxford, dove partecipò attivamente alle riunioni del Wadham College. Ben presto gli fu riconosciuta la piena autorevolezza sul piano scientifico ed entrò a far parte del gruppo di scienziati che nel 1660 fondò la Royal Society

1.1Gli studi sui gas

Boyle si dedicò alle ricerche sulla natura dell’aria (tema che lo interessava soprattutto in relazione agli effetti della rarefazione sugli oggetti inanimati e sui viventi) e sulla pressione atmosferica, argomento di grande interesse a partire dagli esperimenti di Torricelli. Con il suo assistente Robert Hooke (1635 – 1703) costruì una pompa ad aria per mezzo della quale riuscì a individuare la relazione che unisce volume e pressione dei gas a temperatura costante (si tratta, come vedremo, di una legge di proporzionalità inversa che va appunto sotto il nome di legge di Boyle).  

Boyle, che per aver introdotto la legge sui gas è considerato l’iniziatore della pneumatica, fu uno dei primi chimici ad avere una visione moderna di questa disciplina. The sceptical Chymist, la sua opera principale, fu pubblicata nel 1661 ed è considerata da molti il primo testo di chimica. Fu proprio in quest’opera Boyle introdusse il concetto di elemento.

1.2Mechanical hypothesis

Attraverso un rigoroso metodo scientifico Boyle cercava di verificare quanto affermato dagli studiosi del suo tempo e, in particolare, si concentrò sulla mechanical hypothesis (difendeva l’ipotesi secondo cui la maggior parte dei fenomeni che si osservano in natura traggono origine dal movimento) e sulla struttura corpuscolare della materia.  Boyle era un sostenitore della teoria atomista e, come accennato prima, considerando la materia costituita da numerosi elementi primari, entrò in netto contrasto con la concezione aristotelica fondata tradizionalmente su soli quattro elementi.

1.3Acidi e basi

Boyle classificò le sostanze come acide o basiche sulla base di caratteristiche oggettive. Ad esempio: 

  • le sostanze acide erano di sapore aspro e corrodevano facilmente molti metalli;
  • le basi avevano un sapore amarognolo, erano saponose al tatto e corrodevano solo alcuni metalli.

Boyle fu tra i primi ad occuparsi di indicatori vegetali e nel 1664 pubblicò il trattato Experimental History of Colour, dove descriveva come soluzioni di estratti acquosi vegetali (es. tornasole, colorante generalmente ottenuto per estrazione dai licheni del genere Rocella) viravano al rosso in presenza delle sostanze classificate acide e al blu o verde in presenza di sostanze alcaline. Da tali esperimenti derivò quindi l’utilizzo, ancora attuale, degli indicatori a scopo analitico

Boyle osservò anche come mescolando opportune quantità di acido e di base, la soluzione si neutralizzava e che lasciando evaporare il liquido si otteneva un solido cristallino (sale) non classificabile né come acido né come base

1.4Gli ultimi anni

Nel 1668, si trasferì definitivamente a Londra dalla sorella Catherine. Tra le sue opere più importanti di quel periodo ricordiamo ad esempio: An essay about the origin and the virtue of gems (1672), che segna l'inizio della mineralogia moderna (“proposte e storicamente illustrate alcune congetture sulla consistenza della materia delle pietre preziose, e le materie in cui risiedono le loro virtù principali”) e Medicina hydrostatica (1690), saggio sulla determinazione del peso specifico. 

Nel 1680 rifiutò la presidenza della Royal Society per i suoi principi religiosi, fortemente radicati, e dedicò gli ultimi anni della sua vita agli studi teologici. Morì a Londra il 31 dicembre 1691. 

1.5L’eredità scientifica

Partendo dai risultati di Boyle, Dalton (1766-1844) e Lavoisier (1743-1794) diedero il via, circa un secolo più tardi, alla chimica moderna. 

2Boyle ed i principi seminali

Nell’articolo “Boyle on seminal principles” l’autore Peter R. Anstey evidenzia come Boyle cercava di fornire spiegazioni meccaniche al maggior numero possibile di fenomeni naturali. Tuttavia ammetteva la necessità di ricorrere ai “seminal principles” per spiegare quei fenomeni per i quali la soglia di complessità era troppo elevata per ricorrere a spiegazioni puramente meccaniche. Tuttavia negli anni Boyle divenne più scettico sul ruolo dei principi seminali nella generazione dei minerali e arrivò a rifiutare la generazione spontanea di insetti e animali da materia putrefatta. (Peter R. Anstey “Boyle on seminal principles” Stud. Hist. Phil. Biol. & Biomed. Sci. 33 (2002) 597–630)  

3Il moto perpetuo

La macchina di Boyle
La macchina di Boyle — Fonte: getty-images

Il concetto di moto perpetuo di prima specie rimanda a un dispositivo in grado di produrre lavoro continuativo senza spesa di un’equivalente quantità di energia. Questo contraddice il primo principio della termodinamica che viene ulteriormente confermato dall’impossibilità di costruire una macchina di questo tipo.  

“È impossibile ottenere il moto perpetuo per via meccanica, termica, chimica, o qualsiasi altro metodo, ossia è impossibile costruire un motore che lavori continuamente e produca dal nulla lavoro o energia cinetica” (Max Planck, Trattato sulla termodinamica, 1945).  

Il moto perpetuo di seconda specie rimanda a un dispositivo in grado di trasformare interamente in energia meccanica o elettromagnetica il calore ricevuto da una sola sorgente a una temperatura generica. L’impossibilità di realizzare una macchina di questo tipo è definita dal secondo principio della termodinamica

La costruzione di una macchina in grado di produrre lavoro utile senza alcuna spesa, senza cioè assorbire energia, è stata l’obiettivo di molti studiosi. Nei secoli si sono succeduti diversi tentativi in tal senso e, tra questi, quello di  Robert Boyle fu quello di costruire una macchina del moto perpetuo in cui la capillarità avrebbe dovuto permettere di ottenere una specie di fontana perpetua, con l’acqua capace di salire lungo un tubo per adesione capillare e poi di ricadere per gravità. 

4Legge di Boyle

Legge di Boyle
Legge di Boyle — Fonte: getty-images

Nel 1661 Boyle trovò la relazione matematica che lega la pressione e il volume di una massa di gas mantenuto a temperatura costante. I gas sono facilmente comprimibili e, a una certa temperatura, il volume che essi occupano dipende dalla pressione agente.

La legge di Boyle può essere scritta nella forma seguente: p V = costante. In pratica, a temperatura costante, il volume di una determinata massa di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione: all’aumento del volume nel quale è contenuto il gas, corrisponde la diminuzione della pressione esercitata dal gas e viceversa. 

Tale legge può essere verificata sperimentalmente, operando a temperatura costante, considerando un tubo a U con un ramo più lungo aperto e con un rubinetto all’altra estremità. Versando del mercurio all’interno e lasciando aperto il rubinetto, il liquido si disporrà alla stessa altezza nei due rami del tubo poiché vi agisce la stessa pressione atmosferica. 

Dopo aver chiuso il rubinetto può essere rilevato il volume di aria presente nel ramo più corto. Tale valore tenderà a diminuire aggiungendo altro mercurio a causa del conseguente aumento di pressione. Quando la colonna di mercurio raggiunge l’altezza di 76 cm il volume dell’aria si dimezza rispetto al valore iniziale e, quando il mercurio raggiunge la quota di 152 cm, il volume dell’aria si riduce a un terzo del valore iniziale.

I valori di pressione (p) e volume (V) ottenuti sperimentalmente possono essere riportati su un sistema di assi cartesiani (V in ascissa e p in ordinata). Unendo tali punti, il grafico che si ottiene è un ramo di iperbole equilatera che prende il nome di isoterma (poiché ottenuta mantenendo il gas a temperatura costante).

Le variazioni di pressione (o volume) di una massa di gas al variare della temperatura mantenendo costante il volume (o la pressione) sono sintetizzate dalle leggi di Gay-Lussac (formulate intorno al 1800):  

  • In tutti i gas, mantenendo costante la pressione, a ogni determinato aumento di temperatura corrisponde lo stesso aumento di volume.

Vt = V0 (1+αt) per p costante dove V0 = V iniziale del gas a 0°C, Vt = V del gas a t°C e α = costante dei gas = 1/273,2  

  • In tutti i gas, mantenendo costante il volume, a ogni determinato aumento di temperatura corrisponde lo stesso aumento di pressione.

pt = p0 (1+αt) per V costante dove p0 = p iniziale del gas a 0°C, pt = p del gas a t°C e α = costante dei gas = 1/273,2  

Un gas che soddisfa esattamente la legge di Boyle e le due leggi di Gay-Lussac è definito gas perfetto (o gas ideale).  

In base alla legge di Boyle, un gas perfetto non può passare dallo stato gassoso a quello liquido poiché ogni aumento di pressione ha il solo effetto di ridurre il suo volume (al contrario, in determinate condizioni, un gas reale può essere condotto allo stato liquido se la pressione è sufficientemente elevata). 

L’equazione di stato dei gas perfetti connette le grandezze che caratterizzano lo stato di un gas (pressione, volume e temperatura) riunendo le relazioni matematiche individuate da Boyle e Gay_Lussac: pV = p0 V0 (1+αt) 

Non ci si può mai preparare abbastanza alla morte. Altre azioni possono essere ripetute, si possono ritentare se non riescono la prima volta. Non è così con la morte: essa avviene una volta sola e non c’è alcuna possibilità di ripeterla perché riesca meglio.

Robert Boyle