Kalibrierung eines Thermometers mit Celsius' zwei Fixpunkten

Wählen Sie ein dünnwandiges (Kapillar-)Glasrohr von etwa 30 cm Länge, an einem Ende verschlossen, mit einer kleinen Kugel als Reservoir am verschlossenen Ende. Quecksilber dehnt sich in diesem Bereich linear mit der Temperatur aus, was es ideal für gleichmäßig unterteilte Skalen macht. Celsius verwendete Quecksilber statt Alkohol, weil Quecksilber Glas nicht benetzt und zwischen 0 °C und 100 °C einen nahezu linearen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.

Erhitzen Sie die Glaskugel vorsichtig, um die eingeschlossene Luft auszudehnen, und tauchen Sie dann das offene Ende in eine Schale mit Quecksilber. Beim Abkühlen der Kugel drückt der atmosphärische Druck Quecksilber in das Rohr. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die Kugel und ein Teil des Rohrs mit einer durchgehenden Quecksilbersäule ohne Luftblasen gefüllt sind. Dies ist dieselbe Technik, die Glasbläser des 18. Jahrhunderts verwendeten.

Verschließen Sie nach dem Befüllen das offene Ende des Kapillarrohrs, indem Sie das Glas mit einer Flamme zuschmelzen. Die Quecksilbersäule ist nun in einem geschlossenen System eingeschlossen. Verbleibende Luft über dem Quecksilber erzeugt ein Teilvakuum (Torricellisches Vakuum), das die Messwerte im Bereich 0–100 °C nicht beeinflusst.

Füllen Sie ein Becherglas aus Borosilikatglas mit zerkleinertem Eis und geben Sie gerade genug destilliertes Wasser hinzu, um die Zwischenräume zwischen den Eisstücken zu füllen. Rühren Sie vorsichtig um. Dies erzeugt ein stabiles Gleichgewicht bei genau 0 °C (dem Eispunkt) — solange sowohl festes Eis als auch flüssiges Wasser koexistieren, bleibt die Temperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant. Celsius bestätigte diese Konstanz durch wiederholte Experimente.

Tauchen Sie die Quecksilberkugel vollständig in die Eis-Wasser-Mischung. Halten Sie es mindestens 5 Minuten ruhig, damit das Quecksilber sich vollständig equilibrieren kann. Die Quecksilbersäule wird sich zusammenziehen und auf einem stabilen Niveau einpendeln — dies ist Ihre Gefrierpunkt-Referenz. Lassen Sie die Kugel nicht den Boden oder die Seiten des Becherglases berühren.

Wenn das Quecksilber vollständig equilibriert ist, ritzen Sie mit einem diamantbestückten Reißer oder einem feinen Permanentmarker eine Referenzlinie auf das Glasrohr genau an der Oberkante der Quecksilbersäule ein. In Celsius' ursprünglicher (invertierter) Skala bezeichnete er diesen Punkt als 100°. In der modernen Konvention ist dies 0 °C. Beschriften Sie ihn deutlich.

Überprüfen Sie vor der Bestimmung des Siedepunkts ein Quecksilberbarometer. Der Standard-Atmosphärendruck beträgt 760 mmHg (101,325 kPa). Celsius dokumentierte, dass sich der Siedepunkt von Wasser um etwa 0,037 °C pro mmHg Druckänderung verschiebt — eine Abweichung von 27 mmHg verschiebt den Siedepunkt also um etwa 1 °C. Wenn der Druck erheblich von 760 mmHg abweicht, notieren Sie den Wert und wenden Sie später eine Korrektur an.

Füllen Sie einen Rundkolben zur Hälfte mit destilliertem Wasser und stellen Sie ihn auf ein Stativ über einen Spiritusbrenner. Befestigen Sie eine Klemme, um das Thermometerrohr so zu halten, dass die Quecksilberkugel im Dampfraum knapp über der Wasseroberfläche positioniert ist — nicht in die Flüssigkeit eingetaucht. Die Dampftemperatur entspricht dem Siedepunkt zuverlässiger als die Flüssigkeit selbst, die sich lokal überhitzen kann.

Zünden Sie den Spiritusbrenner an und erhitzen Sie das Wasser, bis es anhaltend und kräftig kocht. Warten Sie, bis das Kochen sich stabilisiert hat — anfängliche Blasen können gelöste Luft sein, die entweicht, nicht echtes Sieden. Ein wallendes Kochen, bei dem große Blasen kontinuierlich vom Boden aufsteigen, zeigt an, dass das Wasser bei dem aktuellen Atmosphärendruck seinen Siedepunkt erreicht hat.

Warten Sie mit dem im Dampfstrom positionierten Thermometer 3–5 Minuten, bis das Quecksilber aufhört zu steigen und sich stabilisiert. Die Dampftemperatur ist gleichmäßig und entspricht dem Siedepunkt. Celsius beobachtete, dass das Quecksilberniveau bei Erreichen des Gleichgewichts vollkommen stabil wird — jeder weitere Anstieg deutet darauf hin, dass das System sich noch nicht stabilisiert hat.

Ritzen oder markieren Sie eine zweite Referenzlinie an der Oberkante der Quecksilbersäule. In Celsius' ursprünglicher invertierter Skala bezeichnete er dies als 0°. In der modernen Konvention ist dies 100 °C. Wenn die Barometerablesung von 760 mmHg abwich, notieren Sie den tatsächlichen Siedepunkt und wenden Sie die Korrektur an: addieren Sie 0,037 °C pro mmHg über 760 oder subtrahieren Sie bei Werten darunter.

Messen Sie mit einem Präzisionslineal oder Stechzirkel den genauen Abstand in Millimetern zwischen der Gefrierpunktmarkierung und der Siedepunktmarkierung. Dieser Abstand stellt das Fundamentalintervall dar — 100 Grad Temperaturänderung. Celsius' Genialität bestand in der Erkenntnis, dass die Teilung dieses Intervalls in 100 gleiche Teile eine Dezimalskala erzeugt, die an eine universelle physikalische Konstante gebunden ist.

Berechnen Sie die Länge jedes Grades, indem Sie das Gesamtintervall durch 100 teilen. Markieren Sie mit einem auf diesen Abstand eingestellten Stechzirkel jeden Grad entlang des Rohrs vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt. Für die praktische Ablesbarkeit machen Sie jede 10. Markierung länger (dies sind die Zehner: 10°, 20°, 30°… 90°) und jede 5. Markierung mittellang. Celsius verwendete diese zentesimale (Hundertstel-)Teilung, die der Skala später ihren frühen Namen gab: die Celsiusskala (Zentesimalskala).

Setzen Sie den gleichen gleichmäßigen Abstand unterhalb der Gefrierpunktmarkierung (negative Temperaturen) und oberhalb der Siedepunktmarkierung fort, soweit es das Rohr erlaubt. Quecksilberthermometer sind von etwa −39 °C (dem Gefrierpunkt von Quecksilber) bis etwa 356 °C (dem Siedepunkt von Quecksilber) zuverlässig. Markieren Sie diese Erweiterungen mit demselben Gradabstand.

Legen Sie das fertige Thermometer zurück in das Eis-Wasser-Bad und bestätigen Sie, dass das Quecksilber genau mit der 0-°C-Markierung übereinstimmt. Falls nicht, hat sich das Rohr möglicherweise beim Handhaben verschoben, oder die ursprüngliche Markierung war ungenau. Dieser Überprüfungsschritt ist wesentlich — Celsius wiederholte seine Messungen mehrfach, um die Reproduzierbarkeit zu bestätigen.

Bringen Sie das Thermometer zurück in die Dampfsäule über dem kochenden Wasser. Bestätigen Sie, dass das Quecksilber mit der 100-°C-Markierung übereinstimmt (nach eventueller barometrischer Korrektur). Wenn beide Referenzpunkte stimmen, ist das Thermometer korrekt kalibriert. Celsius' Methode erreicht bei sorgfältiger Technik eine Genauigkeit von etwa ±0,1 °C.

Befestigen Sie das graduierte Rohr mit Drahtbindungen oder Zement an einer Trägerleiste aus Holz, Messing oder Elfenbein. Gravieren oder drucken Sie die Zahlenskala auf die Leiste, sodass die Gradzahlen deutlich ablesbar sind. Thermometer des 18. Jahrhunderts verwendeten typischerweise Messing- oder Buchsbaumskalen. Dies macht das Thermometer zu einem fertigen, tragbaren Instrument.

Celsius ordnete dem Siedepunkt 0° und dem Gefrierpunkt 100° zu — das Gegenteil der modernen Konvention. Seine Begründung ist umstritten: Eine Theorie besagt, dass er negative Zahlen bei schwedischen Wintertemperaturen vermeiden wollte (Uppsala erreicht regelmäßig −20 bis −30 °C). Die Skala wurde nach Celsius' Tod 1744 in ihre moderne Form umgekehrt, wahrscheinlich durch Carl von Linné (der Thermometer mit umgekehrter Skala für sein Gewächshaus bestellte) oder den Instrumentenbauer Daniel Ekström. 1948 benannte die 9. Generalkonferenz für Maße und Gewichte die Skala offiziell von „Centigrad" in „Celsius" um, zu Ehren des Erfinders und zur Vermeidung von Verwechslungen mit der zentesimalen Gon-Winkeleinheit.