Ba thang đo, một đại lượng vật lý
Celsius, Fahrenheit và Kelvin đều đo cùng một đại lượng vật lý nền tảng là nhiệt độ nhiệt động lực học, nhưng chúng dùng những điểm không khác nhau và bước chia («độ») khác nhau, đó là lý do cùng một nhiệt độ vật lý lại có ba giá trị số khác nhau tùy theo thang đo được dùng để biểu diễn. Không thang nào trong ba thang đo «thực» hơn hai thang còn lại xét về mặt vật lý -- chúng chỉ là những quy ước gán nhãn khác nhau áp dụng cho cùng một đại lượng nhiệt liên tục.
Fahrenheit và Celsius ra đời từ đâu
Thang Fahrenheit do nhà vật lý Daniel Gabriel Fahrenheit nghĩ ra vào đầu thập niên 1720. Thang của Fahrenheit cuối cùng ổn định quanh hai điểm tham chiếu nay đã quen thuộc, điểm đóng băng của nước ở 32 °F và điểm sôi của nước ở 212 °F, tạo khoảng cách 180 độ giữa hai mốc, và nó vẫn là thang nhiệt độ thường ngày tại Hoa Kỳ.
Thang Celsius, do nhà thiên văn học Anders Celsius đề xuất năm 1742, ban đầu đặt 0 tại điểm sôi của nước và 100 tại điểm đóng băng -- ngược với quy ước hiện đại -- và sau đó được đảo lại thành cách sắp xếp quen thuộc là 0 °C tại điểm đóng băng và 100 °C tại điểm sôi, cả hai ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Celsius (theo hướng đã đảo, tức dạng hiện đại) là thang đo thường ngày được dùng ở hầu hết các nơi trên thế giới ngày nay.
Kelvin: thang đo bắt đầu từ độ không tuyệt đối
Kelvin là đơn vị cơ bản của SI cho nhiệt độ nhiệt động lực học và là thang đo được dùng trong toàn bộ khoa học. Nó có cùng độ lớn «một độ» với Celsius -- thay đổi một kelvin có độ lớn y hệt thay đổi một độ Celsius -- nhưng điểm không của nó được đặt tại độ không tuyệt đối, điểm lý thuyết mà tại đó một hệ vật lý có năng lượng nhiệt nhỏ nhất, chứ không đặt theo một tính chất của nước. Vì Celsius và Kelvin có cùng bước chia, hai thang đo liên hệ với nhau bằng một độ lệch cố định đơn giản (273,15), chứ không phải bằng phép nhân tỷ lệ như quan hệ giữa Celsius và Fahrenheit.
Độ không tuyệt đối bằng đúng 0 K, −273,15 °C và −459,67 °F, và không hệ vật lý nào có thể xuống thấp hơn mức đó -- đây là giới hạn dưới thực sự của nhiệt độ, không phải chỉ là một giá trị đo được rất lạnh. Vì Kelvin bắt đầu từ điểm không vật lý thật này, tỷ số giữa các giá trị Kelvin có ý nghĩa vật lý theo cách mà tỷ số giữa các giá trị Celsius hay Fahrenheit không có: 200 K thực sự biểu thị thang năng lượng nhiệt gấp đôi 100 K, trong khi 200 °C không nóng gấp đôi 100 °C theo cùng nghĩa vật lý đó, bởi 0 °C là một điểm tham chiếu tùy chọn (điểm đóng băng của nước) chứ không phải điểm không thật sự.
Các công thức quy đổi chính xác
Quy đổi giữa Fahrenheit và Celsius dùng một công thức tuyến tính chính xác được ấn định bởi các điểm tham chiếu đã định nghĩa của hai thang đo, không phải phép xấp xỉ: °F = °C × 9/5 + 32, và theo chiều ngược lại, °C = (°F − 32) × 5/9. Vì Kelvin và Celsius có cùng độ lớn bước chia và chỉ khác nhau một độ lệch cố định, quy đổi giữa chúng chỉ là phép cộng hoặc trừ đơn giản: K = °C + 273,15.
Độ lệch 273,15 giữa Celsius và Kelvin là một giá trị đã định nghĩa chính xác, không phải con số làm tròn hay đo được bằng thực nghiệm -- sau lần sửa đổi năm 2019 của Hệ đo lường quốc tế, độ lớn của kelvin được ấn định bằng một giá trị chính xác đã định nghĩa của hằng số Boltzmann, khiến quan hệ số K = °C + 273,15 trở thành vấn đề định nghĩa chứ không phải đo đạc.
Vì sao Kelvin không có ký hiệu độ
Khác với Celsius và Fahrenheit vốn được viết kèm ký hiệu độ (°C, °F), kelvin được viết đơn giản là «kelvin», ký hiệu K, không có chữ «độ» và không có ký hiệu ° -- một quy ước được Hội nghị toàn thể về Cân Đo lần thứ 13 (CGPM) ấn định vào năm 1967/68. Điều này phản ánh vị thế của Kelvin như một thang đo tuyệt đối được neo vào một điểm không vật lý cố định, trái với Celsius và Fahrenheit vốn đều được định nghĩa tương đối so với một mốc tham chiếu tùy chọn (một tính chất của nước, trong trường hợp Celsius) chứ không phải một điểm không vật lý thật sự.
Vì vậy, viết «độ Kelvin» hay đặt ký hiệu ° trước K là lỗi dùng từ phổ biến nhưng đã lỗi thời, không nhất quán với định nghĩa của đơn vị này từ năm 1967/68 -- cách viết hiện đại đúng chuẩn đơn giản là «300 K», không phải «300 °K» hay «300 độ Kelvin».
Bảng quy đổi đã kiểm chứng
Bảng dưới đây liệt kê những điểm tham chiếu vật lý quen thuộc trên cả ba thang đo, hữu ích để kiểm tra nhanh tính hợp lý của bất kỳ kết quả quy đổi riêng lẻ nào dựa trên một mốc đã biết.
| Điểm tham chiếu | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Độ không tuyệt đối | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Nước đóng băng (1 atm) | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Thân nhiệt người điển hình | ≈37 °C | ≈98,6 °F | ≈310,15 K |
| Nước sôi (1 atm) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Câu hỏi thường gặp
Công thức chính xác để quy đổi Celsius sang Fahrenheit là gì?
°F = °C × 9/5 + 32. Ví dụ, 20 °C quy đổi thành 20 × 1,8 + 32 = 68 °F. Đây là quan hệ tuyến tính chính xác được ấn định bởi các điểm tham chiếu đã định nghĩa của hai thang đo, không phải phép xấp xỉ.
Quy đổi Celsius sang Kelvin như thế nào?
Cộng thêm 273,15: K = °C + 273,15. Ví dụ, 0 °C (điểm đóng băng của nước) bằng 273,15 K, và 100 °C (điểm sôi của nước) bằng 373,15 K. Độ lệch này là một giá trị đã định nghĩa chính xác theo SI, không phải con số làm tròn.
Độ không tuyệt đối là gì và vì sao nó quan trọng?
Độ không tuyệt đối là giới hạn dưới lý thuyết của nhiệt độ, điểm mà tại đó một hệ vật lý có năng lượng nhiệt nhỏ nhất, bằng đúng 0 K, −273,15 °C và −459,67 °F. Nó quan trọng vì Kelvin lấy đó làm điểm không, nhờ vậy các giá trị Kelvin (khác với Celsius hay Fahrenheit) có thể so sánh với nhau dưới dạng tỷ số một cách có ý nghĩa -- và cũng vì không nhiệt độ hợp lệ nào về mặt vật lý có thể thấp hơn mức đó.
Vì sao viết là «kelvin» chứ không phải «độ Kelvin»?
Hội nghị toàn thể về Cân Đo lần thứ 13 (1967/68) đã định nghĩa lại đơn vị này đơn giản là «kelvin» (ký hiệu K), bỏ chữ «độ» và ký hiệu ° mà Celsius và Fahrenheit vẫn giữ, để phản ánh vị thế của Kelvin như một thang đo tuyệt đối gắn với điểm không vật lý cố định, chứ không phải một mốc tham chiếu tùy chọn như điểm không của Celsius hay Fahrenheit.
Thang Fahrenheit và Celsius được tạo ra khi nào?
Daniel Gabriel Fahrenheit nghĩ ra thang đo của mình vào đầu thập niên 1720. Anders Celsius đề xuất thang đo của ông năm 1742, ban đầu với các điểm tham chiếu đảo ngược (0 tại điểm sôi, 100 tại điểm đóng băng) so với quy ước hiện đại, và sau đó được đảo lại thành cách sắp xếp quen thuộc ngày nay là 0 °C đóng băng / 100 °C sôi.
Tài liệu tham khảo
- 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.