Temperatura. Skala Kelvina, Celsjusza i Fahrenheita

Temperatura to jedna z siedmiu podstawowych wielkości układu jednostek SI. Pomiaru temperatury dokonujemy przy użyciu termometru, którego wskazanie odpowiada wartości temperatury wyrażonej w określonej skali temperatur. Proces definiowania skali temperatur odbywa się w odniesieniu do pewnego powtarzalnego oraz zależnego od temperatury zjawiska fizycznego, któremu przypisuje się pewną wartość temperatury. Punkt, któremu przypisywana jest określona wartość temperatury związana z takim zjawiskiem fizycznym, nosi nazwę stałego punktu standardowego.

Punkt potrójny wody

Przykładem takiego punktu jest punkt potrójny wody tj. punkt, któremu odpowiada tylko jedna, ściśle określona wartość temperatury T oraz ciśnienia p, przy których trzy stany skupienia wody – lód (ciało stałe), woda w stanie ciekłym oraz para wodna (gaz) – współistnieją ze sobą w stanie równowagi termodynamicznej. Na mocy międzynarodowego porozumienia punktowi potrójnemu wody odpowiada temperatura równa 273,16 K – wartość tej temperatury wykorzystuje się do kalibracji termometrów.

Skala Kelvina

Litera K stojąca przy wartości liczbowej 273,16 to jednostka skali Kelvina – kelwin – nazwana tak na cześć Williama Thomsona (1824 – 1907), znanego bardziej jako lord Kelvin. Skala Kelvina nazywana również bezwzględną skalą temperatur to skala temperatur powszechnie stosowana w badaniach naukowych na całym świecie. Kelwin to także podstawowa jednostka temperatury w układzie SI, zdefiniowana jako 1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. Temperaturę równą 0 K, określaną mianem temperatury zera bezwzględnego, przyjmuje się za dolną graniczną wartość temperatury. Zwróć uwagę, że przy wyrażaniu temperatury w skali Kelvina, w przeciwieństwie do skali Celsjusza oraz Fahrenheita, których omówienie znajdziesz poniżej, nie używa się symbolu stopnia.

Skala Celsjusza

Najbardziej rozpowszechnioną na świecie skalą temperatur jest skala Celsjusza, w której temperaturę podaje się w stopniach – stopniach Celsjusza – oznaczanych jako ^oC, których wielkość odpowiada kelwinom. Zero na skali Celsjusza jest przesunięte względem zera bezwzględnego o wartość 273,15. Pomiędzy temperaturą w skali Celsjusza (T_C ) a temperaturą w skali Kelvina (T_K ) zachodzą następujące relacje:

$$T_C = \left( T_K \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} 273,\hspace{-.1cm}15 \right) \hspace{.05cm} \rm{^o C}$$

oraz (po przekształceniu powyższej relacji):

$$T_K = \left( T_C \hspace{.1cm} + \hspace{.1cm} 273,\hspace{-.1cm}15 \right) \hspace{.05cm} \rm{K}$$

Skala Fahrenheita

W wybranych krajach anglosaskich (np. w Stanach Zjednoczonych) temperaturę wyraża się w skali Fahrenheita, w której zero przesunięte jest względem zera skali Celsjusza o wartość 32. Jednostką skali Fahrenheita jest stopień Fahrenheita oznaczany jako ^oF, który w porównaniu ze skalą Kelvina oraz Celsjusza jest mniejszy o wartość 5/9 tzn. różnicy pięciu stopni w skali Celsjusza (lub różnicy pięciu kelwinów) odpowiada różnica dziewięciu stopni w skali Fahrenheita.

Przeliczanie jednostek temperatury

Pomiędzy skalą Kelvina, Celsjusza a Fahrenheita zachodzą następujące relacje:

$$T_F = \left( \tfrac{9}{5} \hspace{.05cm} \cdot \hspace{.05cm} T_C \hspace{.1cm} + \hspace{.1cm} 32 \right) \hspace{.05cm} \rm{^o F}$$

$$T_C = \left[ \tfrac{5}{9} \hspace{.05cm} \cdot \hspace{.05cm} \left( \hspace{.05cm} T_F \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} 32 \right) \right] \hspace{.05cm} \rm{^o C}$$

$$T_F = \left[ \tfrac{9}{5} \hspace{.05cm} \cdot \hspace{.05cm} \left( \hspace{.05cm} T_K \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} 273,\hspace{-.1cm}15 \right) \hspace{.1cm} + \hspace{.1cm} 32 \right] \hspace{.05cm} \rm{^o F}$$

$$T_K = \left[ \tfrac{5}{9} \hspace{.05cm} \cdot \hspace{.05cm} \left( \hspace{.05cm} T_F \hspace{.1cm} – 32 \right) \hspace{.1cm} + \hspace{.1cm} 273,\hspace{-.1cm}15 \right] \hspace{.05cm} \rm{K}$$

Skala Kelvina, Celsjusza i Fahrenheita – porównanie

W poniższej tabeli, celem porównania, przedstawiono wybrane temperatury w skali Kelvina, Celsjusza oraz Fahrenheita: