Skale temperatury raz jeszcze

Do mierzenia temperatury, która jest najczęściej odczuwalnym i monitorowanym parametrem fizycznym, zostały opracowane rozmaite skale i jednostki. Jednak tylko dwie z nich są powszechnie stosowane.

Dwóm osiemnastowiecznym europejskim naukowcom zawdzięczamy dzisiejsze skale stopni Fahrenheita (°F) i stopni Celsjusza (°C), z których ta druga skala jest powszechnie stosowana wszędzie, za wyjątkiem USA.

Kluczem do ustanowienia wiarygodnej skali temperatury jest podstawa składająca się z powtarzalnych standardowych punktów odniesienia, na przykład związanych ze zmianami stanu skupienia wody.

Urodzony w Niemczech fizyk, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) początkowo oparł swoją skalę na trzech punktach: zamarzniętej mieszance słonej wody wyznaczonej jako punkt zerowy, zamarzniętej mieszance zwykłej wody wyznaczonej jako punkt 30 oraz mierzonej w ustach temperaturze zdrowego człowieka, określonej jako punkt 96. Na tej skali punkt wrzenia wody (przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym) wypadł w punkcie 212. Następnie do skali tej wprowadzono poprawki, takie jak wyznaczenie punktu zamarzania wody na 32 stopniach, co sprawiło, że punkt wrzenia przesunął się na bardziej rozsądną wartość 180O.

Szwedzki astronom Anders Celsjusz (1701-1744) zastosował swoje precyzyjne podejście doświadczalne do sporządzenia bardziej logicznej skali, w której 100 stanowi punkt zamarzania wody, a 0 punkt wrzenia. Skala ta została po jego śmierci odwrócona do swojej obecnej formy. Ponieważ w skali Celsjusza odległość pomiędzy punktem zamarzania a punktem wrzenia wynosi „100 punktów”, nazywa się ją skalą „stustopniową”. W czasach bardziej nam współczesnych (1948 r.) przyjęto stopnie Celsjusza – °C.

Zarówno skala C jak i F są oparte na tych samych punktach fizycznych (zmiana stanu wody), dlatego łatwo jest je do siebie odnosić. Wykres zachodzących pomiędzy nimi zależności stopniem C, a stopniem F. Każdej osobie zajmującej się konwersją temperatury polecam sporządzenie takiego wykresu.

Ponieważ znamy nachylenie linii (2z/1z = 180/100 lub 1,8), a jej oś F przecina się z 32 (punkt, w którym C = 0), więc na podstawie tego, z podstaw matematyki równanie prostej wynosi:

F = 1,8 C + 32, co łatwo przekłada się na C dając: C = (F – 32)/1,8.

I to już wszystkie wzory na konwersje temperatury. Wierzę, że są prostsze od często podawanych wzorów zawierających ułamki. Wykres wyjaśnia dalej, dlaczego skale C i F maja jeden punkt równoważności numerycznej -40 (który ja nazywam punktem „unikalnym”). Występuje on w punkcie A, w trzecim kwadrancie, gdzie xA = yA. Punkty wykresu od B do G zapewniają fizyczną perspektywę na inne interesujące nas punkty temperatury.

Cześć linii zmierzająca w dół ma definitywny punkt końcowy na wartości 3, który jest zwany punktem absolutnego zera (-273,15°C; -459,67°F). Ta, możliwateoretycznie najniższa temperatura materii, to punkt zerowy skali Kelvina, zaproponowanej przez brytyjskiego naukowca Williama Thomsona (Lorda Kelvina) w roku 1848. Skala temperatury Kelvina ma zastosowanie w nauce oraz inżynierii i nie stosuje się w niej terminu „stopień” (np. 283 K = 10°C = 50°F).

Część linii zmierzająca w górę nie ma wyznaczonego końca. Wiele procesów przemysłowych i fizycznych odbywa się w temperaturach wynoszących tysiące stopni C lub F.


Podstawą dla skal temperatur zarówno Celsjusza jak i Fahrenheita są przedziały pomiędzy punktami zamarzania i wrzenia wody w warunkach standardowych. Te punkty to: 1 (0OC; 32OF) oraz 2 (100OC; 212OF) umiejscowione wzdłuż linii wzajemnych zależności.