Tre scale, una grandezza fisica
Celsius, Fahrenheit e Kelvin misurano tutte la stessa grandezza fisica sottostante, la temperatura termodinamica, ma usano punti zero diversi e dimensioni di passo diverse ('gradi'), motivo per cui la stessa temperatura fisica ha tre valori numerici diversi a seconda di quale scala viene usata per esprimerla. Nessuna delle tre scale è più 'reale' delle altre in senso fisico — sono convenzioni di etichettatura diverse applicate alla stessa grandezza termica continua.
Da dove vengono Fahrenheit e Celsius
La scala Fahrenheit fu ideata dal fisico Daniel Gabriel Fahrenheit all'inizio degli anni 1720. La scala di Fahrenheit alla fine si stabilizzò su due punti di riferimento ormai familiari, il punto di congelamento dell'acqua a 32 °F e il punto di ebollizione dell'acqua a 212 °F, con un intervallo di 180 gradi tra loro, e rimane la scala di temperatura quotidiana negli Stati Uniti.
La scala Celsius, proposta dall'astronomo Anders Celsius nel 1742, fissava originariamente 0 al punto di ebollizione dell'acqua e 100 al suo punto di congelamento — l'inverso della convenzione moderna — e fu in seguito invertita nella disposizione familiare di 0 °C al congelamento e 100 °C all'ebollizione, entrambi a pressione atmosferica standard. Il Celsius (nel suo orientamento moderno invertito) è la scala quotidiana usata oggi nella maggior parte del mondo.
Kelvin: la scala che inizia allo zero assoluto
Il Kelvin è l'unità di base SI della temperatura termodinamica e la scala usata in tutta la scienza. Condivide la stessa dimensione di 'grado' del Celsius — una variazione di un kelvin è identica in grandezza a una variazione di un grado Celsius — ma il suo punto zero è fissato allo zero assoluto, il punto teorico in cui un sistema fisico possiede energia termica minima, anziché a una proprietà dell'acqua. Poiché Celsius e Kelvin condividono la stessa dimensione di passo, le due scale sono legate da un semplice scarto fisso (273,15), non da una moltiplicazione di scala, a differenza della relazione tra Celsius e Fahrenheit.
Lo zero assoluto equivale esattamente a 0 K, −273,15 °C e −459,67 °F, e nessun sistema fisico può scendere al di sotto di esso — è un vero limite inferiore della temperatura, non semplicemente un valore misurato molto freddo. Poiché il Kelvin inizia da questo vero zero fisico, i rapporti tra valori Kelvin hanno un significato fisico in un modo che i rapporti tra valori Celsius o Fahrenheit non hanno: 200 K rappresenta davvero il doppio della scala di energia termica di 100 K, mentre 200 °C non è il doppio caldo di 100 °C nello stesso senso fisico, poiché 0 °C è un riferimento arbitrario (il punto di congelamento dell'acqua) anziché un vero zero.
Le formule di conversione esatte
Convertire tra Fahrenheit e Celsius usa una formula lineare esatta fissata dai punti di riferimento definiti delle due scale, non un'approssimazione: °F = °C × 9/5 + 32, e nella direzione inversa, °C = (°F − 32) × 5/9. Poiché Kelvin e Celsius condividono la stessa dimensione di grado e differiscono solo per uno scarto fisso, convertire tra loro è una semplice addizione o sottrazione: K = °C + 273,15.
Lo scarto Celsius-Kelvin di 273,15 è un valore esatto definito, non una cifra arrotondata o misurata sperimentalmente — a seguito della revisione del 2019 del Sistema Internazionale di Unità, l'entità del kelvin è fissata da un valore esatto definito della costante di Boltzmann, il che rende la relazione numerica K = °C + 273,15 una questione di definizione anziché di misura.
Perché il Kelvin non ha il simbolo di grado
A differenza di Celsius e Fahrenheit, che si scrivono con un simbolo di grado (°C, °F), il kelvin si scrive semplicemente 'kelvin', simbolo K, senza la parola 'grado' e senza il simbolo ° — una convenzione fissata dalla 13ª Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) nel 1967/68. Ciò riflette lo status del Kelvin come scala assoluta ancorata a un punto zero fisico fisso, in contrasto con Celsius e Fahrenheit, entrambe definite rispetto a un riferimento arbitrario (una proprietà dell'acqua, nel caso del Celsius) anziché a un vero zero fisico.
Scrivere 'gradi Kelvin' o un simbolo ° prima di K è quindi un errore d'uso comune ma superato, incoerente con la definizione dell'unità dal 1967/68 — l'uso moderno corretto è semplicemente '300 K', non '300 °K' o '300 gradi Kelvin'.
Tabella di conversione verificata
La tabella seguente elenca punti di riferimento fisici familiari nelle tre scale, utile per verificare rapidamente qualsiasi singolo risultato di conversione rispetto a un punto di ancoraggio noto.
| Punto di riferimento | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Zero assoluto | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Congelamento dell'acqua (1 atm) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Temperatura corporea umana tipica | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| Ebollizione dell'acqua (1 atm) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Domande frequenti
Qual è la formula esatta per convertire da Celsius a Fahrenheit?
°F = °C × 9/5 + 32. Ad esempio, 20 °C si convertono in 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. Si tratta di una relazione lineare esatta fissata dai punti di riferimento definiti delle due scale, non un'approssimazione.
Come si convertono i Celsius in Kelvin?
Aggiungi 273,15: K = °C + 273,15. Ad esempio, 0 °C (il punto di congelamento dell'acqua) equivale a 273,15 K, e 100 °C (il punto di ebollizione dell'acqua) equivale a 373,15 K. Questo scarto è un valore esatto definito nel SI, non una cifra arrotondata.
Che cos'è lo zero assoluto e perché conta?
Lo zero assoluto è il limite teorico inferiore della temperatura, il punto in cui un sistema fisico possiede energia termica minima, pari esattamente a 0 K, −273,15 °C e −459,67 °F. Conta perché il Kelvin lo usa come proprio punto zero, il che spiega perché i valori Kelvin (a differenza di Celsius o Fahrenheit) possono essere confrontati in modo significativo come rapporti — e perché nessuna temperatura fisicamente valida può scendere al di sotto di esso.
Perché si scrive 'kelvin' e non 'gradi Kelvin'?
La 13ª Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (1967/68) ha ridefinito l'unità semplicemente come 'kelvin' (simbolo K), rimuovendo la parola 'grado' e il simbolo ° che Celsius e Fahrenheit mantengono, per riflettere lo status del Kelvin come scala assoluta legata a un punto zero fisico fisso anziché a un riferimento arbitrario come lo zero di Celsius o Fahrenheit.
Quando sono state create le scale Fahrenheit e Celsius?
Daniel Gabriel Fahrenheit ideò la sua scala all'inizio degli anni 1720. Anders Celsius propose la sua scala nel 1742, originariamente con i punti di riferimento invertiti (0 all'ebollizione, 100 al congelamento) rispetto alla convenzione moderna, poi invertita nella familiare disposizione odierna 0 °C congelamento / 100 °C ebollizione.
Fonti
- 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.