Skale temperatury — Celsjusz, Kelwin, Fahrenheit

Trzy skale opisują to samo zjawisko, ale przyjmują różne punkty odniesienia. Poniżej zasady każdej z nich, przeliczenia i wyjaśnienie, czym właściwie jest temperatura.

Skala Celsjusza

Punktami odniesienia są temperatura zamarzania wody (0°C) i jej wrzenia (100°C) przy ciśnieniu normalnym. Odstęp podzielono na sto równych części.

Skala jest wygodna w codziennym użyciu, bo opiera się na substancji obecnej wszędzie, ale jej zero jest umowne — istnieją temperatury znacznie niższe.

Skala Kelvina

Zaczyna się od zera bezwzględnego, czyli −273,15°C. To temperatura, poniżej której nie da się zejść, bo odpowiada minimalnej możliwej energii ruchu cząsteczek.

Stopień Kelvina ma taką samą wielkość jak stopień Celsjusza, więc przeliczenie sprowadza się do dodania stałej: K = °C + 273,15.

Uwaga na zapis: w skali Kelvina nie używa się znaku stopnia. Piszemy 300 K, a nie 300°K.

Skala Fahrenheita

Stosowana głównie w Stanach Zjednoczonych. Woda zamarza przy 32°F, a wrze przy 212°F.

Przeliczenie: °C = (°F − 32) · 5/9 oraz °F = °C · 9/5 + 32.

Warto zapamiętać punkt wspólny obu skal: −40 stopni oznacza to samo w Celsjuszu i Fahrenheicie. To jedyna taka temperatura i wygodny punkt kontrolny przy sprawdzaniu przeliczeń.

Czym właściwie jest temperatura

To miara średniej energii kinetycznej cząsteczek, a nie ilości ciepła. Rozróżnienie ma praktyczne konsekwencje.

Iskra z ogniska ma temperaturę wyższą niż wrząca woda, a mimo to nie parzy — zawiera zbyt mało materii, by przekazać znaczącą ilość energii. Temperatura mówi, jak szybko poruszają się cząsteczki, a ciepło ile ich jest i ile energii łącznie przekażą.

Zero bezwzględne

W temperaturze 0 K ruch cząsteczek osiąga minimum. Nie da się jej osiągnąć — można się jedynie zbliżać, a każdy kolejny ułamek stopnia wymaga coraz większego nakładu energii.

W laboratoriach uzyskano temperatury rzędu miliardowych części kelwina powyżej zera bezwzględnego. Dla porównania najniższa naturalna temperatura we Wszechświecie, w przestrzeni międzygalaktycznej, wynosi około 2,7 K.

Jak działa termometr

Klasyczny termometr cieczowy wykorzystuje rozszerzalność temperaturową: ogrzewana ciecz zwiększa objętość i podnosi się w wąskiej rurce. Dawniej stosowano rtęć, dziś zastąpiono ją alkoholem z barwnikiem ze względu na toksyczność par rtęci.

Termometry elektroniczne działają inaczej — mierzą zmianę oporu elektrycznego materiału, który zależy od temperatury w przewidywalny sposób. Osobną grupą są pirometry, odczytujące temperaturę z promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało. Pozwalają mierzyć bez kontaktu, co ma znaczenie przy obiektach bardzo gorących, ruchomych albo niedostępnych.

Dlaczego skala Kelvina jest potrzebna

Bo tylko w niej stosunki temperatur mają sens fizyczny. Gaz o temperaturze 600 K ma cząsteczki o dwukrotnie większej energii niż przy 300 K — ta proporcja działa, bo skala zaczyna się od rzeczywistego zera.

W skali Celsjusza takie porównanie zawodzi: 20°C nie jest „dwa razy cieplejsze” niż 10°C, bo zero jest umowne. Dlatego wszystkie wzory fizyczne dotyczące gazów i termodynamiki wymagają temperatury w kelwinach.