Trois échelles, une seule grandeur physique
Celsius, Fahrenheit et Kelvin mesurent tous la même grandeur physique sous-jacente, la température thermodynamique, mais ils utilisent des points zéro et des tailles de pas (« degrés ») différents, ce qui explique pourquoi une même température physique a trois valeurs numériques différentes selon l'échelle utilisée pour l'exprimer. Aucune des trois échelles n'est plus « réelle » que les autres au sens physique -- ce sont différentes conventions d'étiquetage appliquées à la même grandeur thermique continue.
D'où viennent le Fahrenheit et le Celsius
L'échelle Fahrenheit a été conçue par le physicien Daniel Gabriel Fahrenheit au début des années 1720. L'échelle de Fahrenheit s'est finalement fixée sur deux points de référence désormais familiers, le point de congélation de l'eau à 32 °F et son point d'ébullition à 212 °F, un écart de 180 degrés entre les deux, et elle demeure l'échelle de température courante aux États-Unis.
L'échelle Celsius, proposée par l'astronome Anders Celsius en 1742, fixait à l'origine 0 au point d'ébullition de l'eau et 100 à son point de congélation -- l'inverse de la convention moderne -- avant d'être ultérieurement inversée vers l'arrangement familier de 0 °C à la congélation et 100 °C à l'ébullition, les deux sous pression atmosphérique standard. Le Celsius (dans son orientation moderne, inversée) est l'échelle courante utilisée dans la majeure partie du monde aujourd'hui.
Kelvin : l'échelle qui commence au zéro absolu
Le kelvin est l'unité SI de base de la température thermodynamique et l'échelle utilisée dans l'ensemble des sciences. Il partage la même taille de « degré » que le Celsius -- une variation d'un kelvin est identique en ampleur à une variation d'un degré Celsius -- mais son point zéro est fixé au zéro absolu, le point théorique où un système physique détient une énergie thermique minimale, plutôt qu'à une propriété de l'eau. Parce que le Celsius et le Kelvin partagent la même taille de pas, les deux échelles sont reliées par un simple décalage fixe (273,15), et non par une multiplication d'échelle, contrairement à la relation entre le Celsius et le Fahrenheit.
Le zéro absolu équivaut à exactement 0 K, −273,15 °C et −459,67 °F, et aucun système physique ne peut aller en dessous -- c'est une véritable limite inférieure de la température, non simplement une valeur mesurée très froide. Parce que le Kelvin commence à ce véritable zéro physique, les rapports de valeurs Kelvin ont un sens physique d'une manière que n'ont pas les rapports de valeurs Celsius ou Fahrenheit : 200 K représente véritablement le double de l'échelle d'énergie thermique de 100 K, alors que 200 °C n'est pas deux fois plus chaud que 100 °C au même sens physique, puisque 0 °C est un point de référence arbitraire (le point de congélation de l'eau) plutôt qu'un véritable zéro.
Les formules de conversion exactes
Convertir entre Fahrenheit et Celsius utilise une formule linéaire exacte fixée par les points de référence définis des deux échelles, non une approximation : °F = °C × 9/5 + 32, et dans le sens inverse, °C = (°F − 32) × 5/9. Parce que Kelvin et Celsius partagent la même taille de degré et ne diffèrent que par un décalage fixe, convertir entre eux est une simple addition ou soustraction : K = °C + 273,15.
Le décalage de 273,15 entre Celsius et Kelvin est une valeur définie exacte, non un chiffre arrondi ou mesuré expérimentalement -- à la suite de la révision de 2019 du Système international d'unités, l'ampleur du kelvin est fixée par une valeur définie exacte de la constante de Boltzmann, ce qui fait de la relation numérique K = °C + 273,15 une question de définition plutôt que de mesure.
Pourquoi le kelvin n'a pas de symbole degré
Contrairement au Celsius et au Fahrenheit, qui s'écrivent avec un symbole degré (°C, °F), le kelvin s'écrit simplement « kelvin », symbole K, sans le mot « degré » ni le symbole ° -- une convention fixée par la 13e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en 1967/68. Cela reflète le statut du Kelvin en tant qu'échelle absolue ancrée à un point zéro physique fixe, contrairement au Celsius et au Fahrenheit, tous deux définis par rapport à une référence arbitraire (une propriété de l'eau, dans le cas du Celsius) plutôt qu'à un véritable zéro physique.
Écrire « degrés Kelvin » ou faire précéder K d'un symbole ° est donc une erreur d'usage courante mais dépassée, incompatible avec la définition de l'unité depuis 1967/68 -- l'usage moderne correct est simplement « 300 K », et non « 300 °K » ni « 300 degrés Kelvin ».
Tableau de conversion vérifié
Le tableau ci-dessous répertorie des points de référence physiques familiers dans les trois échelles, utile pour vérifier tout résultat de conversion individuel par rapport à un point d'ancrage connu.
| Point de référence | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Zéro absolu | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| L'eau gèle (1 atm) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Température corporelle humaine typique | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| L'eau bout (1 atm) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Questions fréquentes
Quelle est la formule exacte pour convertir le Celsius en Fahrenheit ?
°F = °C × 9/5 + 32. Par exemple, 20 °C se convertissent en 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. C'est une relation linéaire exacte fixée par les points de référence définis des deux échelles, non une approximation.
Comment convertir le Celsius en Kelvin ?
Ajoutez 273,15 : K = °C + 273,15. Par exemple, 0 °C (point de congélation de l'eau) équivaut à 273,15 K, et 100 °C (point d'ébullition de l'eau) équivaut à 373,15 K. Ce décalage est une valeur définie exacte selon le SI, non un chiffre arrondi.
Qu'est-ce que le zéro absolu et pourquoi est-il important ?
Le zéro absolu est la limite théorique inférieure de la température, le point où un système physique détient une énergie thermique minimale, égal à exactement 0 K, −273,15 °C et −459,67 °F. Il importe car le Kelvin l'utilise comme point zéro, ce qui explique pourquoi les valeurs Kelvin (contrairement au Celsius ou au Fahrenheit) peuvent être comparées de façon significative sous forme de rapports -- et pourquoi aucune température physiquement valide ne peut descendre en dessous.
Pourquoi écrit-on « kelvin » et non « degrés Kelvin » ?
La 13e Conférence générale des poids et mesures (1967/68) a redéfini l'unité comme simplement « kelvin » (symbole K), supprimant le mot « degré » et le symbole ° que conservent le Celsius et le Fahrenheit, afin de refléter le statut du Kelvin en tant qu'échelle absolue liée à un point zéro physique fixe plutôt qu'à une référence arbitraire comme le zéro du Celsius ou du Fahrenheit.
Quand les échelles Fahrenheit et Celsius ont-elles été créées ?
Daniel Gabriel Fahrenheit a conçu son échelle au début des années 1720. Anders Celsius a proposé son échelle en 1742, à l'origine avec les points de référence inversés (0 à l'ébullition, 100 à la congélation) par rapport à la convention moderne, qui a ensuite été inversée vers l'arrangement familier actuel de 0 °C à la congélation / 100 °C à l'ébullition.
Références
- 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.