三つの尺度、一つの物理量
摂氏、華氏、ケルビンはいずれも、根底にある同じ物理量である熱力学温度を測定しているが、それぞれ異なるゼロ点と異なる刻み幅(「度」)を使っているため、同じ物理的な温度であっても、どの尺度で表すかによって三つの異なる数値になる。三つの尺度のどれかが物理的な意味で他より「本物」であるということはなく、それぞれは同じ連続的な熱量に適用された異なる表記上の慣習にすぎない。
華氏と摂氏の由来
華氏目盛りは、物理学者ダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトによって1720年代初頭に考案された。ファーレンハイトの目盛りは最終的に、水の氷点を32°F、水の沸点を212°Fとする、今日よく知られた二つの基準点に落ち着き、その間隔は180度となった。華氏は現在も米国における日常的な温度尺度として使われている。
摂氏目盛りは、天文学者アンダース・セルシウスによって1742年に提案されたもので、当初は水の沸点を0、氷点を100とする、現代の慣例とは逆の設定であった。その後、標準大気圧下で氷点を0°C、沸点を100°Cとする、現在よく知られた配置に反転された。摂氏(この現代的な、反転された向きの)は、今日世界の大半で使われている日常的な尺度である。
ケルビン:絶対零度から始まる尺度
ケルビンは熱力学温度のSI基本単位であり、科学の全分野で使われる尺度である。摂氏と同じ大きさの「度」を共有しており、1ケルビンの変化は1摂氏度の変化と同じ大きさであるが、そのゼロ点は水の性質ではなく、物理系が保持する熱エネルギーが最小となる理論上の点である絶対零度に設定されている。摂氏とケルビンは刻み幅を共有しているため、摂氏と華氏の関係とは異なり、両尺度は掛け算による比例関係ではなく、単純な固定オフセット(273.15)によって関係づけられている。
絶対零度は正確に0K、−273.15°C、−459.67°Fに等しく、いかなる物理系もこれを下回ることはできない。これは単に非常に低い測定値というだけではなく、温度の正真正銘の下限である。ケルビンはこの真の物理的なゼロ点から始まるため、ケルビン値の比は、摂氏や華氏の値の比が持たない形で物理的な意味を持つ。200Kは100Kの熱エネルギー尺度の正真正銘の2倍を表すが、200°Cは同じ物理的な意味において100°Cの2倍暑いわけではない。なぜなら0°Cは真のゼロではなく、水の氷点という恣意的な基準点にすぎないからである。
正確な換算式
華氏と摂氏の換算には、近似ではなく、両尺度の定義された基準点によって固定された正確な線形の式を用いる。°F=°C×9/5+32、逆方向には°C=(°F−32)×5/9である。ケルビンと摂氏は同じ度の大きさを共有し、固定オフセットだけが異なるため、両者の換算は単純な加減算で行える。K=°C+273.15である。
摂氏からケルビンへのオフセットである273.15は、丸められた値や実験的に測定された値ではなく、正確に定義された値である。2019年の国際単位系の改定以降、ケルビンの大きさはボルツマン定数の正確に定義された数値によって固定されており、これによりK=°C+273.15という数値関係は、測定の問題ではなく定義の問題となっている。
ケルビンに度記号がない理由
度記号(°C、°F)を付けて表記される摂氏や華氏とは異なり、ケルビンは「度」という語も°記号も付けずに、単に「ケルビン」、記号Kと表記される。これは1967/68年の第13回国際度量衡総会(CGPM)によって定められた慣例である。これは、真の物理的なゼロ点ではなく恣意的な基準(摂氏の場合は水の性質)に対して定義されている摂氏・華氏とは対照的に、ケルビンが固定された物理的なゼロ点に紐づけられた絶対尺度であるという位置づけを反映している。
したがって「度ケルビン」と書いたり、Kの前に°記号を付けたりするのは、よくあるものの時代遅れの誤用であり、1967/68年以降の単位の定義とは整合しない。正しい現代の表記は単に「300K」であり、「300°K」や「300度ケルビン」ではない。
検証済み換算表
以下の表は、三つの尺度すべてにわたる馴染み深い物理的な基準点を示しており、個々の換算結果を既知の基準点と照らし合わせて妥当性を確認するのに役立つ。
| 基準点 | 摂氏 | 華氏 | ケルビン |
|---|---|---|---|
| 絶対零度 | −273.15 °C | −459.67 °F | 0 K |
| 水が凍る(1気圧) | 0 °C | 32 °F | 273.15 K |
| 一般的な人の体温 | ≈37 °C | ≈98.6 °F | ≈310.15 K |
| 水が沸騰する(1気圧) | 100 °C | 212 °F | 373.15 K |
よくある質問
摂氏を華氏に換算する正確な式は何ですか?
°F=°C×9/5+32である。例えば、20°Cは20×1.8+32=68°Fに換算される。これは近似ではなく、両尺度の定義された基準点によって固定された正確な線形関係である。
摂氏をケルビンに換算するにはどうすればよいですか?
273.15を加える。K=°C+273.15である。例えば、0°C(水の氷点)は273.15Kに等しく、100°C(水の沸点)は373.15Kに等しい。このオフセットは丸められた数値ではなく、SIの下で正確に定義された値である。
絶対零度とは何ですか、なぜ重要なのですか?
絶対零度は温度の理論上の下限であり、物理系が保持する熱エネルギーが最小となる点で、正確に0K、−273.15°C、−459.67°Fに等しい。これが重要なのは、ケルビンがこれをゼロ点として使っているためであり、そのためケルビン値は(摂氏や華氏とは異なり)比として意味のある比較ができ、また物理的に有効ないかなる温度もこれを下回ることができない理由でもある。
なぜ「度ケルビン」ではなく「ケルビン」と表記するのですか?
第13回国際度量衡総会(1967/68年)は、この単位を単に「ケルビン」(記号K)と再定義し、摂氏や華氏が保持している「度」という語と°記号を取り除いた。これは、摂氏や華氏のゼロ点のような恣意的な基準ではなく、固定された物理的なゼロ点に結び付けられた絶対尺度であるというケルビンの位置づけを反映するためである。
華氏と摂氏の目盛りはいつ作られましたか?
ダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトは1720年代初頭に自身の目盛りを考案した。アンダース・セルシウスは1742年に自身の目盛りを提案し、当初は現代の慣例とは逆に、基準点が反転していた(沸点を0、氷点を100)。これは後に、今日よく知られた氷点0°C・沸点100°Cという配置に反転された。
参考文献
- 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.