Drei Skalen, eine physikalische Größe
Celsius, Fahrenheit und Kelvin messen alle dieselbe zugrunde liegende physikalische Größe, die thermodynamische Temperatur, verwenden aber unterschiedliche Nullpunkte und unterschiedliche Schrittweiten („Grade“), weshalb dieselbe physikalische Temperatur je nach verwendeter Skala drei verschiedene Zahlenwerte hat. Keine der drei Skalen ist im physikalischen Sinne „realer“ als die anderen – sie sind unterschiedliche Beschriftungskonventionen, angewandt auf dieselbe kontinuierliche thermische Größe.
Woher Fahrenheit und Celsius stammen
Die Fahrenheit-Skala wurde vom Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit in den frühen 1720er-Jahren ersonnen. Fahrenheits Skala legte sich schließlich auf zwei heute vertraute Bezugspunkte fest, den Gefrierpunkt von Wasser bei 32 °F und den Siedepunkt von Wasser bei 212 °F, eine Spanne von 180 Grad dazwischen, und sie bleibt die alltägliche Temperaturskala in den Vereinigten Staaten.
Die Celsius-Skala, 1742 vom Astronomen Anders Celsius vorgeschlagen, setzte ursprünglich 0 an den Siedepunkt von Wasser und 100 an dessen Gefrierpunkt – das Gegenteil der modernen Konvention – und wurde später zur vertrauten Anordnung von 0 °C beim Gefrieren und 100 °C beim Sieden umgekehrt, beides bei normalem Atmosphärendruck. Celsius (in seiner modernen, umgekehrten Ausrichtung) ist heute die in den meisten Teilen der Welt verwendete Alltagsskala.
Kelvin: die Skala, die am absoluten Nullpunkt beginnt
Kelvin ist die SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur und die in der gesamten Wissenschaft verwendete Skala. Sie teilt dieselbe Größe des „Grades“ wie Celsius – eine Änderung um ein Kelvin ist in ihrer Größenordnung identisch mit einer Änderung um ein Grad Celsius –, doch ihr Nullpunkt liegt am absoluten Nullpunkt, dem theoretischen Punkt, an dem ein physikalisches System minimale thermische Energie besitzt, statt an einer Eigenschaft von Wasser. Weil Celsius und Kelvin dieselbe Schrittweite teilen, sind die beiden Skalen durch einen einfachen festen Versatz (273,15) verbunden, keine skalierende Multiplikation, anders als die Beziehung zwischen Celsius und Fahrenheit.
Der absolute Nullpunkt entspricht exakt 0 K, −273,15 °C und −459,67 °F, und kein physikalisches System kann ihn unterschreiten – er ist eine echte untere Schranke der Temperatur, nicht bloß ein sehr kalter gemessener Wert. Weil Kelvin an diesem echten physikalischen Nullpunkt beginnt, sind Verhältnisse von Kelvin-Werten physikalisch bedeutsam, wie es Verhältnisse von Celsius- oder Fahrenheit-Werten nicht sind: 200 K stellt tatsächlich die doppelte thermische-Energie-Skala von 100 K dar, während 200 °C im selben physikalischen Sinne nicht doppelt so heiß ist wie 100 °C, da 0 °C ein willkürlicher Bezugspunkt (der Gefrierpunkt von Wasser) und kein echter Nullpunkt ist.
Die exakten Umrechnungsformeln
Die Umrechnung zwischen Fahrenheit und Celsius verwendet eine exakte lineare Formel, die durch die definierten Bezugspunkte der beiden Skalen festgelegt ist, keine Näherung: °F = °C × 9/5 + 32, und in umgekehrter Richtung °C = (°F − 32) × 5/9. Weil Kelvin und Celsius dieselbe Gradgröße teilen und sich nur um einen festen Versatz unterscheiden, ist die Umrechnung zwischen ihnen eine einfache Addition oder Subtraktion: K = °C + 273,15.
Der Celsius-zu-Kelvin-Versatz von 273,15 ist ein exakter definierter Wert, keine gerundete oder experimentell gemessene Zahl – nach der Revision des Internationalen Einheitensystems von 2019 ist die Größe des Kelvins durch einen exakten definierten Wert der Boltzmann-Konstante festgelegt, was die Zahlenbeziehung K = °C + 273,15 zu einer Sache der Definition und nicht der Messung macht.
Warum Kelvin kein Gradzeichen hat
Anders als Celsius und Fahrenheit, die mit einem Gradsymbol geschrieben werden (°C, °F), wird das Kelvin einfach als „Kelvin“ mit dem Symbol K geschrieben, ohne das Wort „Grad“ und ohne das Zeichen ° – eine Konvention, die von der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) 1967/68 festgelegt wurde. Dies spiegelt den Status von Kelvin als absolute Skala wider, die an einem festen physikalischen Nullpunkt verankert ist, im Gegensatz zu Celsius und Fahrenheit, die beide relativ zu einem willkürlichen Bezugspunkt (im Fall von Celsius einer Eigenschaft von Wasser) definiert sind statt zu einem echten physikalischen Nullpunkt.
„Grad Kelvin“ oder ein ° vor dem K zu schreiben ist daher ein häufiger, aber veralteter Anwendungsfehler, unvereinbar mit der Definition der Einheit seit 1967/68 – korrekte moderne Schreibweise ist schlicht „300 K“, nicht „300 °K“ oder „300 Grad Kelvin“.
Verifizierte Umrechnungstabelle
Die Tabelle unten listet vertraute physikalische Bezugspunkte über alle drei Skalen hinweg auf, nützlich zum Plausibilitätscheck eines einzelnen Umrechnungsergebnisses gegen einen bekannten Ankerpunkt.
| Bezugspunkt | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Absoluter Nullpunkt | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Wasser gefriert (1 atm) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Typische menschliche Körpertemperatur | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| Wasser siedet (1 atm) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Häufig gestellte Fragen
Wie lautet die exakte Formel zur Umrechnung von Celsius in Fahrenheit?
°F = °C × 9/5 + 32. Zum Beispiel ergibt 20 °C umgerechnet 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. Dies ist eine exakte lineare Beziehung, festgelegt durch die definierten Bezugspunkte der beiden Skalen, keine Näherung.
Wie rechnet man Celsius in Kelvin um?
273,15 addieren: K = °C + 273,15. Zum Beispiel entspricht 0 °C (der Gefrierpunkt von Wasser) 273,15 K, und 100 °C (der Siedepunkt von Wasser) entspricht 373,15 K. Dieser Versatz ist ein exakter definierter Wert im SI, keine gerundete Zahl.
Was ist der absolute Nullpunkt und warum ist er wichtig?
Der absolute Nullpunkt ist die theoretische untere Grenze der Temperatur, der Punkt, an dem ein physikalisches System minimale thermische Energie besitzt, gleich exakt 0 K, −273,15 °C und −459,67 °F. Er ist wichtig, weil Kelvin ihn als Nullpunkt verwendet, weshalb Kelvin-Werte (anders als Celsius oder Fahrenheit) sinnvoll als Verhältnisse verglichen werden können – und weshalb keine physikalisch gültige Temperatur ihn unterschreiten kann.
Warum schreibt man „Kelvin“ und nicht „Grad Kelvin“?
Die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (1967/68) definierte die Einheit einfach als „Kelvin“ (Symbol K) neu und entfernte das Wort „Grad“ und das Zeichen °, das Celsius und Fahrenheit beibehalten, um den Status von Kelvin als absolute Skala widerzuspiegeln, die an einem festen physikalischen Nullpunkt verankert ist, statt an einem willkürlichen Bezugspunkt wie dem Celsius- oder Fahrenheit-Nullpunkt.
Wann wurden die Fahrenheit- und Celsius-Skalen geschaffen?
Daniel Gabriel Fahrenheit ersann seine Skala in den frühen 1720er-Jahren. Anders Celsius schlug seine Skala 1742 vor, ursprünglich mit den Bezugspunkten umgekehrt (0 beim Sieden, 100 beim Gefrieren) gegenüber der modernen Konvention, was später zur heute vertrauten Anordnung von 0 °C Gefrieren / 100 °C Sieden umgekehrt wurde.
Quellenangaben
- National Institute of Standards and Technology (NIST) -- Special Publication 811: Guide for the Use of the International System of Units (SI), 2008 Edition.
- Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) -- The International System of Units (SI Brochure), 9th edition, 2019.
- Bureau International des Poids et Mesures -- Resolution 3 of the 13th General Conference on Weights and Measures (CGPM), 1967/68, definition of the unit kelvin.