Cuando el agua hervía a cero grados (Celsius y su escala centígrada de temperatura)

[Anders Celsius. Fuente: Wikipedia]

¿Quién no conoce la escala Celsius o centígrada de temperatura? 

Las predicciones meteorológicas nos las cuentan (cada vez mejor, por cierto) indicando los valores de temperaturas máximas y mínimas en grados centígrados (ºC); los científicos medimos frecuentemente la temperatura también en la escala  centígrada de Celsius (aunque la unidad del Sistema Internacional es el kelvin, K; como es sabido la magnitud de un kelvin es idéntica a la de un grado centígrado, en la escala absoluta lo único que se hace es desplazar el cero hasta el valor mínimo, el cero absoluto, 0 K). Pero lo que es poco conocido es cómo elaboró Celsius, astrónomo sueco de la primera mitad del siglo XVIII, su escala centígrada de temperatura. Y sorprendente nos resultará saber que en aquella escala de Celsius el agua hervía a ... ¡0 grados!

Anders Celsius (1701 - 1744) era un importante astrónomo de la ciudad sueca de Uppsala que participó en 1736 en la memorable expedición geodésica a Laponia, organizada por la Academia de Ciencias francesa, con la finalidad de determinar, junto con las mediciones que se tomaran en el Ecuador (donde participaron los eximios científicos y marinos españoles Jorge Juan y Antonio de Ulloa, "los caballeros del punto fijo"), la longitud de un arco de meridiano y así saber, comparando los valores de Laponia y del Ecuador (a la sazón en el virreinato del Perú), la figura exacta de la Tierra. Pues había una controversia respecto a si nuestro planeta tenía forma de melón o de sandía, es decir, si estaba achatada por el ecuador o por los polos. La expedición a Laponia estaba dirigida por el matemático y físico francés Maupertuis. El resultado fue (como hoy sabe cualquier estudiante) que Newton tenía razón y la Tierra está achatada por sus polos. Antes de tan magna experiencia científica Celsius, como buen nórdico, se interesó por las auroras boreales, realizando un importante estudio de las mismas. El prestigio ganado en su trabajo en la expedición geodésica a Laponia le permitió conseguir el apoyo de las autoridades suecas para fundar en 1741 un moderno observatorio astronómico en la ciudad de Uppsala.

[Observatorio Astronómico de Uppsala. Fuente: Wikipedia]

Escribió Celsius algunas obras científicas de valor y siguiendo el espíritu de la Ilustración trató de popularizar el conocimiento científico. Así  escribió un libro de sugestivo título, "Aritmética para la juventud sueca". Nuestro inquieto protagonista fue asimismo un activo defensor de la implantación del calendario gregoriano en Suecia, cosa que, sin embargo, no ocurrió hasta 1753, casi dos lustros después de la temprana muerte del astrónomo de Uppsala.

Pero, a pesar del innegable mérito científico de Anders Celsius, éste sería un gran desconocido fuera de su escandinava tierra de no ser por su invención en 1742 de la escala centígrada, con dos puntos fijos: la temperatura de congelación del agua, a la que asignó el valor de 100º, y la de ebullición, a la que dio arbitrariamente el valor de 0º, ambos valores medidos a nivel del mar. Pretendía pues sustituir la escala del alemán Fahrenheit (con 180 grados entre la congelación y la ebullición del agua) por otra precisa y más sencilla, centesimal. Mas, ¿cómo lo hizo?, ¿por qué su extraña elección de 0º para la ebullición del agua y 100º para la congelación de la misma o la fusión del hielo, al contrario de como lo hacemos hoy?

[Escalas de temperatura. Fuente: Fisicanet]

 

[Edificio Gustavianum de la Universidad de Uppsala (Suecia), actual museo. Es el edificio más antiguo de esta universidad, construido en el siglo XVII. En el interior de la bella cúpula central hay un interesantísimo teatro anatómico para la realización de disecciones (1663). La universidad tiene su origen en 1477, siendo pues la primera universidad escandinava. Anders Celsius estudió en esta universidad, donde su padre fue profesor, y en 1730 consiguió en ella la plaza de profesor de Astronomía. Fuente: Wikipedia]

Ciertamente el mérito de Celsius no reside meramente en la proposición de una escala práctica de temperatura sino, principalmente, en los rigurosos trabajos experimentales que llevó a cabo el científico de Uppsala. Dedicó no poco tiempo (años de escrupulosa experimentación) a la determinación precisa de los dos valores fijos, los puntos de congelación y de ebullición del agua, para obtener una escala universal de temperatura. En 1742 por fin logra publicar un artículo en el que daba cuenta de sus investigaciones y conclusiones:  "Observaciones de dos valores bien definidos [fijos] en el termómetro".

En primer lugar Celsius observó que la temperatura de congelación del agua era la misma que la de fusión del hielo, es decir, el punto de congelación y el de fusión tienen idéntico valor.  Estudió asimismo la posible influencia de la presión atmosférica en el punto de congelación, descartándola: el punto de congelación o de fusión no dependía de la presión atmosférica. También demostró que dicho valor es independiente de la latitud. Así pues sus estudios experimentales indicaban que el punto de congelación del agua era un adecuado punto fijo para la escala universal de temperatura que pretendía establecer. ¿Y el otro punto fijo de la escala? ¿Sería el punto de ebullición del agua acertado?

Los experimentos respecto al punto de ebullición fueron numerosos, un trabajo arduo pero eficaz. Para empezar tomó agua de diferentes orígenes, incluida la procedente de la nieve, concluyendo que cualquiera podría servir para su propósito. El asunto crucial era la dependencia de la temperatura de ebullición del agua de la presión atmosférica (esto fue descubierto ya por Fahrenheit). Celsius quería determinar con gran fidelidad esta relación. Y lo consiguió con enorme precisión y exactitud para su época. La conclusión a la que llegó nuestro protagonista fue que la temperatura de ebullición del agua (a la que ésta hierve) es un punto fijo adecuado para la escala termométrica siempre que se defina para una presión atmosférica dada (ésta, a su vez, depende de la altitud; a mayor altura, menor presión atmosférica). Celsius adoptó el valor de 751,2 mm Hg (1001 hPa) como presión atmosférica estándar (que consideraba el valor medio de presión ejercida por la atmósfera). El astrónomo de Uppsala dio la información necesaria para hacer las correcciones pertinentes de este segundo punto fijo, la ebullición del agua, para el caso de que la presión atmosférica fuera diferente a la estándar o media. En su escala Celsius marcó el 0 (0º) para el punto de ebullición del agua y el 100 (100º) para la temperatura de congelación. Cien divisiones, o un centenar de grados, separaban ambos puntos fijos; una escala pues centígrada o centesimal. Nada que ver con la complejidad de la escala del francés Réaumur o con la del alemán Fahrenheit. Pero no parece muy acertada la elección del valor 0 para la ebullición y del 100 para la congelación porque, en este caso, la dilatación del mercurio en el interior del capilar del termómetro al absorber calor del ambiente, ascendiendo por dicho tubito, conllevaba una disminución en la lectura de los grados. Así, por ejemplo, en un estival día escandinavo el termómetro original de Celsius indicaría 80º (20º C daríamos hoy); en un frío día de invierno podría indicar 110º (nada más y nada menos que -10º C). ¿Por qué esta extraña decisión si Celsius pretendía obtener una escala universal y sencilla?

Pues resulta que Celsius utilizó un termómetro de Delisle en sus investigaciones del punto de ebullición. El astrónomo francés Joseph Nicolas Delisle usaba un termómetro con el cero en el punto de ebullición y el 150 para el punto de congelación (Celsius tuvo el acierto de hacer una escala centígrada). Esta escala invertida tenía una finalidad (que fuera ventajosa es como mínimo discutible): evitar la lectura de temperaturas ambientales negativas (lo cual probablemente viera práctico un nórdico como Celsius). Si hubiera prosperado la propuesta del científico de Uppsala no habría temperaturas bajo cero en tan septentrionales latitudes. Y el agua herviría a ¡cero grados!

El cambio del cero y el cien de la escala termométrica parece natural y se llevó a cabo poco después de la muerte de Celsius. Sin embargo no puede atribuirse a una única persona. En las publicaciones meteorológicas de Uppsala, después del fallecimiento de Anders Celsius en 1744, se utilizan ya los termómetros con la escala directa o moderna (0º para el punto de congelación del agua y 100º para el de ebullición) bajo diferentes nombres: "Celsius Novum", entre otros. Posiblemente fue el gran naturalista sueco Linneo (Carl von Linné), "príncipe de los botánicos",  quien impulsó el cambio, ya adoptado por otros, como el astrónomo Strömer o Daniel Ekström, un reputado fabricante de instrumentos de Estocolmo.  

 [Carl von Linné. Fuente: Wikipedia]

Anders Celsius, el astrónomo de Uppsala que puso orden en la termometría tras rigurosos experimentos, murió en abril de 1744, con tan sólo 42 años y en plena madurez científica, de tuberculosis.

Para saber más:

- Termómetro en Wikipedia.

- Celsius temperature scale. OLOF BECKMAN. Uppsala Universitet, 2008. Buena parte de esta entrada está basada en este artículo que encontramos en "Linné on line".