Calibrage d'un thermomètre à l'aide des deux points fixes de Celsius

Sélectionnez un tube capillaire en verre à orifice étroit d'environ 30 cm de long, scellé à une extrémité, avec un petit bulbe réservoir soufflé à l'extrémité scellée. Le mercure se dilate linéairement avec la température dans cette plage, ce qui le rend idéal pour les échelles à divisions égales. Celsius a utilisé le mercure plutôt que l'alcool parce que le mercure ne mouille pas le verre et possède un coefficient de dilatation presque linéaire entre 0 °C et 100 °C.

Chauffez doucement le bulbe en verre pour dilater l'air emprisonné, puis retournez l'extrémité ouverte dans un récipient de mercure. En refroidissant, la pression atmosphérique force le mercure à monter dans le tube. Répétez jusqu'à ce que le bulbe et une partie du tube soient remplis d'une colonne continue de mercure sans bulles d'air. C'est la même technique qu'utilisaient les souffleurs de verre du XVIIIe siècle.

Une fois rempli, scellez l'extrémité ouverte du tube capillaire en faisant fondre le verre avec une flamme. La colonne de mercure est désormais piégée dans un système fermé. Tout air restant au-dessus du mercure crée un vide partiel (vide de Torricelli) qui n'affectera pas les lectures dans la plage 0–100 °C.

Remplissez un bécher en verre borosilicaté de glace pilée et ajoutez juste assez d'eau distillée pour remplir les interstices entre les morceaux de glace. Remuez doucement. Cela crée un équilibre stable à exactement 0 °C (le point de glace) — tant que la glace solide et l'eau liquide coexistent, la température reste constante quelle que soit la température ambiante. Celsius a confirmé cette constance par des expériences répétées.

Submergez complètement le bulbe de mercure dans le mélange eau-glace. Maintenez-le stable pendant au moins 5 minutes pour permettre au mercure de s'équilibrer complètement. La colonne de mercure se contractera et se stabilisera à un niveau constant — c'est votre référence du point de congélation. Ne laissez pas le bulbe toucher le fond ou les parois du bécher.

Le mercure étant complètement équilibré, utilisez un traceur à pointe de diamant ou un marqueur permanent fin pour graver une ligne de référence sur le tube en verre exactement au sommet de la colonne de mercure. Dans l'échelle originale (inversée) de Celsius, il étiqueta ce point 100°. Dans la convention moderne, c'est 0 °C. Étiquetez-le clairement.

Avant d'établir le point d'ébullition, vérifiez un baromètre à mercure. La pression atmosphérique standard est de 760 mmHg (101,325 kPa). Celsius a documenté que le point d'ébullition de l'eau se déplace d'environ 0,037 °C par mmHg de changement de pression — ainsi une déviation de 27 mmHg déplace le point d'ébullition d'environ 1 °C. Si la pression diffère significativement de 760 mmHg, notez la valeur et appliquez une correction ultérieurement.

Remplissez un ballon de Florence à moitié d'eau distillée et placez-le sur un support annulaire au-dessus d'un brûleur à alcool. Fixez une pince pour maintenir le tube du thermomètre de sorte que le bulbe de mercure soit positionné dans l'espace de vapeur juste au-dessus de la surface de l'eau — pas immergé dans le liquide. La température de la vapeur est égale au point d'ébullition de manière plus fiable que le liquide lui-même, qui peut surchauffer localement.

Allumez le brûleur à alcool et chauffez l'eau jusqu'à obtenir une ébullition soutenue et vigoureuse. Attendez que l'ébullition se stabilise — les premières bulles peuvent être de l'air dissous qui s'échappe, pas une véritable ébullition. Une ébullition franche où de grosses bulles montent continuellement du fond indique que l'eau a atteint son point d'ébullition à la pression atmosphérique actuelle.

Avec le thermomètre positionné dans la colonne de vapeur, attendez 3 à 5 minutes que le mercure cesse de monter et se stabilise. La température de la vapeur est uniforme et égale au point d'ébullition. Celsius a observé que le niveau de mercure devient parfaitement stable une fois l'équilibre atteint — toute montée continue indique que le système ne s'est pas encore stabilisé.

Gravez ou marquez une seconde ligne de référence au sommet de la colonne de mercure. Dans l'échelle inversée originale de Celsius, il étiqueta ceci 0°. Dans la convention moderne, c'est 100 °C. Si la lecture du baromètre différait de 760 mmHg, notez le point d'ébullition réel et appliquez la correction : ajoutez 0,037 °C par mmHg au-dessus de 760, ou soustrayez en dessous.

À l'aide d'une règle de précision ou d'un compas à pointes sèches, mesurez la distance exacte en millimètres entre la marque du point de congélation et la marque du point d'ébullition. Cette distance représente l'intervalle fondamental — 100 degrés de variation de température. Le génie de Celsius fut de reconnaître que diviser cet intervalle en 100 parties égales crée une échelle décimale liée à une constante physique universelle.

Calculez la longueur de chaque degré en divisant l'intervalle total par 100. À l'aide d'un compas réglé sur cet espacement, marquez chaque degré le long du tube du point de congélation au point d'ébullition. Pour la lisibilité pratique, faites chaque 10e marque plus longue (ce sont les dizaines : 10°, 20°, 30°… 90°) et chaque 5e marque de longueur moyenne. Celsius utilisa cette division centésimale (centièmes), qui donna plus tard à l'échelle son nom initial : l'échelle centigrade.

Continuez le même espacement égal en dessous de la marque de congélation (températures négatives) et au-dessus de la marque d'ébullition aussi loin que le tube le permet. Les thermomètres à mercure sont fiables d'environ −39 °C (point de congélation du mercure) à environ 356 °C (point d'ébullition du mercure). Marquez ces extensions avec le même espacement de degrés.

Replacez le thermomètre terminé dans le bain eau-glace et confirmez que le mercure s'aligne exactement avec la marque 0 °C. Si ce n'est pas le cas, le tube a pu se déplacer pendant la manipulation, ou la marque originale était imprécise. Cette étape de vérification est essentielle — Celsius a répété ses mesures plusieurs fois pour confirmer la reproductibilité.

Replacez le thermomètre dans la colonne de vapeur au-dessus de l'eau bouillante. Confirmez que le mercure s'aligne avec la marque 100 °C (après toute correction barométrique). Si les deux points de référence sont corrects, le thermomètre est correctement calibré. La méthode de Celsius atteint une précision d'environ ±0,1 °C avec une technique soigneuse.

Fixez le tube gradué à une baguette de support en bois, laiton ou ivoire à l'aide de ligatures en fil de fer ou de ciment. Gravez ou imprimez l'échelle numérique sur le support avec les numéros de degrés clairement lisibles. Les thermomètres du XVIIIe siècle utilisaient généralement des échelles en laiton ou buis. Cela fait du thermomètre un instrument fini et portable.

Celsius assigna 0° à l'ébullition et 100° à la congélation — l'inverse de la convention moderne. Son raisonnement est débattu : une théorie est qu'il voulait éviter les nombres négatifs dans les températures hivernales suédoises (Uppsala atteint régulièrement −20 à −30 °C). L'échelle fut inversée dans sa forme moderne après la mort de Celsius en 1744, probablement par Carl von Linné (qui commanda des thermomètres avec l'échelle inversée pour sa serre) ou le fabricant d'instruments Daniel Ekström. En 1948, la 9e Conférence générale des poids et mesures renomma officiellement « centigrade » en « Celsius » pour honorer l'inventeur et éviter la confusion avec l'unité d'angle gradien centésimal.