Três escalas, uma grandeza física
Celsius, Fahrenheit e Kelvin medem todas a mesma grandeza física subjacente, a temperatura termodinâmica, mas usam pontos zero diferentes e tamanhos de passo diferentes («graus»), motivo pelo qual a mesma temperatura física tem três valores numéricos diferentes dependendo de qual escala é usada para expressá-la. Nenhuma das três escalas é mais «real» do que as outras em um sentido físico -- são convenções de rotulagem diferentes aplicadas à mesma grandeza térmica contínua.
De onde vieram Fahrenheit e Celsius
A escala Fahrenheit foi criada pelo físico Daniel Gabriel Fahrenheit no início da década de 1720. A escala de Fahrenheit acabou se estabelecendo em dois pontos de referência agora familiares, o ponto de congelamento da água a 32 °F e o ponto de ebulição da água a 212 °F, um intervalo de 180 graus entre eles, e permanece a escala de temperatura do dia a dia nos Estados Unidos.
A escala Celsius, proposta pelo astrônomo Anders Celsius em 1742, originalmente definia 0 no ponto de ebulição da água e 100 no ponto de congelamento -- o inverso da convenção moderna -- e foi mais tarde invertida para o arranjo familiar de 0 °C no congelamento e 100 °C na ebulição, ambos sob pressão atmosférica padrão. A Celsius (em sua orientação moderna e invertida) é a escala do dia a dia usada na maior parte do mundo hoje.
Kelvin: a escala que começa no zero absoluto
Kelvin é a unidade de base do SI para temperatura termodinâmica e a escala usada em toda a ciência. Compartilha o mesmo tamanho de «grau» que a Celsius -- uma variação de um kelvin é idêntica em magnitude a uma variação de um grau Celsius -- mas seu ponto zero é definido no zero absoluto, o ponto teórico no qual um sistema físico possui energia térmica mínima, em vez de em uma propriedade da água. Como Celsius e Kelvin compartilham o mesmo tamanho de passo, as duas escalas se relacionam por um deslocamento fixo simples (273,15), não por uma multiplicação de escala, ao contrário da relação entre Celsius e Fahrenheit.
O zero absoluto equivale a exatamente 0 K, −273,15 °C e −459,67 °F, e nenhum sistema físico pode ficar abaixo dele -- é um limite inferior genuíno de temperatura, não apenas um valor medido muito frio. Como o Kelvin começa nesse verdadeiro zero físico, razões entre valores em Kelvin têm significado físico de uma forma que razões entre valores em Celsius ou Fahrenheit não têm: 200 K realmente representa o dobro da escala de energia térmica de 100 K, enquanto 200 °C não é duas vezes mais quente do que 100 °C no mesmo sentido físico, já que 0 °C é um ponto de referência arbitrário (o ponto de congelamento da água), e não um zero verdadeiro.
As fórmulas exatas de conversão
A conversão entre Fahrenheit e Celsius usa uma fórmula linear exata, fixada pelos pontos de referência definidos das duas escalas, e não uma aproximação: °F = °C × 9/5 + 32, e, na direção reversa, °C = (°F − 32) × 5/9. Como Kelvin e Celsius compartilham o mesmo tamanho de grau e diferem apenas por um deslocamento fixo, converter entre eles é uma simples soma ou subtração: K = °C + 273,15.
O deslocamento de 273,15 entre Celsius e Kelvin é um valor definido exato, não uma cifra arredondada ou medida experimentalmente -- após a revisão de 2019 do Sistema Internacional de Unidades, a magnitude do kelvin é fixada por um valor definido exato da constante de Boltzmann, o que torna a relação numérica K = °C + 273,15 uma questão de definição, e não de medição.
Por que Kelvin não tem símbolo de grau
Ao contrário de Celsius e Fahrenheit, que são escritos com um símbolo de grau (°C, °F), o kelvin é escrito simplesmente como «kelvin», símbolo K, sem a palavra «grau» e sem o símbolo ° -- uma convenção fixada pela 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) em 1967/68. Isso reflete o status do Kelvin como uma escala absoluta ancorada a um ponto zero físico fixo, em contraste com Celsius e Fahrenheit, ambos definidos em relação a uma referência arbitrária (uma propriedade da água, no caso da Celsius), e não a um zero físico verdadeiro.
Escrever «graus Kelvin» ou um símbolo ° antes de K é, portanto, um erro de uso comum, mas ultrapassado, inconsistente com a definição da unidade desde 1967/68 -- o uso moderno correto é simplesmente «300 K», não «300 °K» nem «300 graus Kelvin».
Tabela de conversão verificada
A tabela abaixo lista pontos de referência físicos familiares nas três escalas, útil para conferir a sanidade de qualquer resultado de conversão individual em relação a um ponto de ancoragem conhecido.
| Ponto de referência | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Zero absoluto | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Água congela (1 atm) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Temperatura corporal humana típica | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| Água ferve (1 atm) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Perguntas frequentes
Qual é a fórmula exata para converter Celsius em Fahrenheit?
°F = °C × 9/5 + 32. Por exemplo, 20 °C se converte em 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. Essa é uma relação linear exata, fixada pelos pontos de referência definidos das duas escalas, e não uma aproximação.
Como converter Celsius em Kelvin?
Some 273,15: K = °C + 273,15. Por exemplo, 0 °C (ponto de congelamento da água) equivale a 273,15 K, e 100 °C (ponto de ebulição da água) equivale a 373,15 K. Esse deslocamento é um valor definido exato sob o SI, não uma cifra arredondada.
O que é o zero absoluto e por que ele importa?
O zero absoluto é o limite inferior teórico da temperatura, o ponto no qual um sistema físico possui energia térmica mínima, igual a exatamente 0 K, −273,15 °C e −459,67 °F. Ele importa porque o Kelvin o usa como seu ponto zero, motivo pelo qual valores em Kelvin (diferentemente de Celsius ou Fahrenheit) podem ser comparados de forma significativa como razões -- e por que nenhuma temperatura fisicamente válida pode ficar abaixo dele.
Por que se escreve «kelvin» e não «graus Kelvin»?
A 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (1967/68) redefiniu a unidade simplesmente como «kelvin» (símbolo K), removendo a palavra «grau» e o símbolo ° que Celsius e Fahrenheit mantêm, para refletir o status do Kelvin como uma escala absoluta vinculada a um ponto zero físico fixo, e não a uma referência arbitrária como o zero de Celsius ou Fahrenheit.
Quando as escalas Fahrenheit e Celsius foram criadas?
Daniel Gabriel Fahrenheit criou sua escala no início da década de 1720. Anders Celsius propôs sua escala em 1742, originalmente com os pontos de referência invertidos (0 na ebulição, 100 no congelamento) em relação à convenção moderna, que mais tarde foi invertida para o arranjo familiar atual de 0 °C no congelamento / 100 °C na ebulição.
Referências
- 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.