Три шкалы, одна физическая величина
Цельсий, Фаренгейт и Кельвин измеряют одну и ту же лежащую в основе физическую величину -- термодинамическую температуру, но используют разные нулевые точки и разный размер «градуса», поэтому одна и та же физическая температура получает три разных численных значения в зависимости от того, какой шкалой её выражают. Ни одна из трёх шкал не является более «настоящей» в физическом смысле, чем остальные -- это разные условные обозначения, применяемые к одной и той же непрерывной тепловой величине.
Откуда взялись Фаренгейт и Цельсий
Шкала Фаренгейта была разработана физиком Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом в начале 1720-х годов. Шкала Фаренгейта в итоге остановилась на двух ныне знакомых опорных точках -- точке замерзания воды при 32 °F и точке кипения воды при 212 °F, -- с интервалом в 180 градусов между ними, и она остаётся повседневной шкалой температуры в США.
Шкала Цельсия, предложенная астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году, изначально устанавливала 0 в точке кипения воды и 100 -- в точке замерзания -- обратный порядок по сравнению с современным соглашением -- и позже была развёрнута к привычному расположению 0 °C в точке замерзания и 100 °C в точке кипения, обе при стандартном атмосферном давлении. Цельсий (в своей современной, развёрнутой ориентации) -- повседневная шкала, используемая сегодня в большей части мира.
Кельвин: шкала, которая начинается с абсолютного нуля
Кельвин -- основная единица СИ для термодинамической температуры и шкала, используемая в науке повсеместно. Она имеет тот же размер «градуса», что и Цельсий -- изменение на один кельвин по величине идентично изменению на один градус Цельсия, -- но её нулевая точка установлена на абсолютном нуле, теоретической точке, в которой физическая система обладает минимальной тепловой энергией, а не на свойстве воды. Поскольку Цельсий и Кельвин имеют одинаковый размер шага, эти две шкалы связаны простым фиксированным смещением (273,15), а не умножением на коэффициент, в отличие от соотношения между Цельсием и Фаренгейтом.
Абсолютный нуль равен ровно 0 K, −273,15 °C и −459,67 °F, и ни одна физическая система не может опуститься ниже него -- это подлинная нижняя граница температуры, а не просто очень холодное измеренное значение. Поскольку Кельвин начинается с этого истинного физического нуля, отношения между значениями в кельвинах физически осмысленны так, как не осмысленны отношения между значениями в Цельсиях или Фаренгейтах: 200 K действительно представляют вдвое большую величину тепловой энергии по сравнению с 100 K, тогда как 200 °C не в два раза «горячее» 100 °C в том же физическом смысле, поскольку 0 °C -- произвольная опорная точка (точка замерзания воды), а не истинный нуль.
Точные формулы пересчёта
Пересчёт между Фаренгейтом и Цельсием использует точную линейную формулу, зафиксированную определёнными опорными точками этих двух шкал, а не приближение: °F = °C × 9/5 + 32, а в обратном направлении -- °C = (°F − 32) × 5/9. Поскольку Кельвин и Цельсий имеют одинаковый размер градуса и отличаются лишь фиксированным смещением, пересчёт между ними -- простое сложение или вычитание: K = °C + 273,15.
Смещение 273,15 при переходе от Цельсия к Кельвину -- точное определённое значение, а не округлённая или экспериментально измеренная величина -- после пересмотра Международной системы единиц (СИ) 2019 года величина кельвина зафиксирована точным определённым значением постоянной Больцмана, что делает численное соотношение K = °C + 273,15 вопросом определения, а не измерения.
Почему у кельвина нет знака градуса
В отличие от Цельсия и Фаренгейта, которые записываются со знаком градуса (°C, °F), кельвин записывается просто как «кельвин», символ K, без слова «градус» и без знака ° -- соглашение, закреплённое 13-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1967/68 году. Это отражает статус Кельвина как абсолютной шкалы, привязанной к фиксированной физической нулевой точке, в противоположность Цельсию и Фаренгейту, каждый из которых определён относительно произвольного ориентира (свойства воды -- в случае Цельсия), а не относительно истинного физического нуля.
Написание «градусы Кельвина» или знака ° перед K поэтому является распространённой, но устаревшей ошибкой словоупотребления, не соответствующей определению этой единицы с 1967/68 года -- правильное современное употребление: просто «300 K», а не «300 °K» или «300 градусов Кельвина».
Проверенная таблица пересчёта
В таблице ниже перечислены знакомые физические опорные точки во всех трёх шкалах, полезные для проверки любого отдельного результата пересчёта по известной опорной точке.
| Опорная точка | Цельсий | Фаренгейт | Кельвин |
|---|---|---|---|
| Абсолютный нуль | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Вода замерзает (1 атм) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Типичная температура тела человека | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| Вода кипит (1 атм) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Часто задаваемые вопросы
Какова точная формула перевода Цельсия в Фаренгейт?
°F = °C × 9/5 + 32. Например, 20 °C переводятся как 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. Это точное линейное соотношение, зафиксированное определёнными опорными точками этих двух шкал, а не приближение.
Как перевести Цельсий в Кельвин?
Прибавьте 273,15: K = °C + 273,15. Например, 0 °C (точка замерзания воды) равны 273,15 K, а 100 °C (точка кипения воды) равны 373,15 K. Это смещение -- точное определённое значение по СИ, а не округлённая величина.
Что такое абсолютный нуль и почему он важен?
Абсолютный нуль -- теоретический нижний предел температуры, точка, в которой физическая система обладает минимальной тепловой энергией, равная ровно 0 K, −273,15 °C и −459,67 °F. Он важен, потому что Кельвин использует его как свою нулевую точку, из-за чего значения в кельвинах (в отличие от Цельсия или Фаренгейта) можно осмысленно сравнивать как отношения -- и потому что ни одна физически допустимая температура не может опуститься ниже него.
Почему пишут «кельвин», а не «градусы Кельвина»?
13-я Генеральная конференция по мерам и весам (1967/68) переопределила эту единицу просто как «кельвин» (символ K), убрав слово «градус» и знак °, которые сохраняют Цельсий и Фаренгейт, чтобы отразить статус Кельвина как абсолютной шкалы, привязанной к фиксированной физической нулевой точке, а не к произвольному ориентиру, как нулевая точка Цельсия или Фаренгейта.
Когда были созданы шкалы Фаренгейта и Цельсия?
Даниэль Габриэль Фаренгейт разработал свою шкалу в начале 1720-х годов. Андерс Цельсий предложил свою шкалу в 1742 году, изначально с обратными опорными точками (0 в точке кипения, 100 в точке замерзания) по сравнению с современным соглашением, которое позже было развёрнуто к привычному сегодня расположению 0 °C замерзание / 100 °C кипение.
Источники
- 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.