Teplota a teplotní stupnice ⚛ fyzika a termodynamika

Pravděpodobně jste si všimli, že celý svět je zvyklý používat k měření teploty stupnice Celsia, zatímco USA preferují stupnici Fahrenheita. Je čas zjistit, proč jsou k ní Američané tak připoutáni a jak se tyto systémy měření teploty od sebe liší.

Jekatěrina Nikolajevová
Editor webu TechInsider.ru
Diskutujte o tématu
Ve skutečnosti je to všechno docela jednoduché – tajemství volby spočívá ve zvyku.

Od dětství jsme zvyklí měřit teplotu od nuly. Není to však jediný způsob. Řekneme vám, jak se od sebe liší stupnice Fahrenheita a Celsia a také který metrický systém je nejvhodnější k použití.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Fahrenheita

V roce 1724 německý vědec Daniel Gabriel Fahrenheit jako první na světě vytvořil reprodukovatelnou a konzistentní stupnici pro teploměry. 20 let před jeho vynálezem vyvinul Isaac Newton vlastní teplotní stupnici, ale Fahrenheit ji považoval za nedokonalou, a tak přišel s vlastní – založenou na nejchladnější zimě ve městě, kde fyzik žil. Odtud název stupnice. Fahrenheitova stupnice si získala velkou popularitu v Anglii a později se spolu s britským imperialismem rozšířila i do dalších částí světa. Dnes se používá také ve Spojených státech a Kanadě – ta také měří teplotu na Celsiově stupnici.

Celsia

Celsiovu stupnici vynalezl v roce 1742 švédský astronom a meteorolog Anders Celsius. Měla dva hlavní body označující bod tuhnutí a bod varu vody, ačkoli Celsius zpočátku označoval bod varu jako 0 °C a bod tuhnutí jako 100 °C. Tato stupnice se však později obrátila vzhůru nohama a získala podobu, kterou vidíme dnes. Tato stupnice byla později integrována do metrického systému. Fahrenheitovy a Celsiovy stupně spolu dlouho nekonkurovaly: druhá stupnice se stala extrémně populární a většina zemí světa začala měřit teplotu od nuly.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Srovnání mezi stupni Celsia a Fahrenheita je založeno na jejich použití. Celsius popisuje fyzikální vlastnosti vody a je vhodnější pro vědecká měření. Fahrenheit byl naopak navržen tak, aby pokrýval většinu teplot v Severní Americe, a to jak v interiéru, tak i exteriéru.

Proč lidé v USA používají Fahrenheitovu stupnici?

Dnes jsou nejoblíbenějšími metodami měření teplotní stupnice Fahrenheita a Celsia. Zároveň se Spojené státy americké staly jediným konkurentem pro všechny ty četné země, které jsou zvyklé používat stupně Celsia. Američané se dokonce pokusili přejít na jinou stupnici v roce 1975. Tehdy byl dokonce přijat zákon, podle kterého musela země začít přecházet na metrický systém.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Běžní občané se však bouřili a inovace odmítli: na stupnice Fahrenheita a míle si již zvykli a neviděli důvod měnit své návyky. To vše proto, že byl potřeba překlad: stupnice Fahrenheita a Celsia se od sebe velmi lišily. Tento boj mezi úřady a lidmi trval několik let, až nakonec v roce 1982 prezident Reagan Metrickou komisi rozpustil.

Mimochodem, Fahrenheitovu stupnici a míle používají nejen obyvatelé Ameriky, ale také obyvatelé Baham, Kajmanských ostrovů, Palauské republiky a státu Belize.

Fahrenheit vs. Celsius: Který je lepší?

Hlavní výhodou Celsiovy stupnice je, že má stejné měrné jednotky jako Kelvinova stupnice, kterou vědci hojně používají. Stupně Celsia jsou navíc pro lidské vnímání snáze vnímatelné. Fahrenheitova a Celsiova teplotní stupnice jsou věcí zvyku, ale druhý jmenovaný systém měření je již rozšířený ve většině částí světa, takže odpověď na položenou otázku se k němu spíše přiklání.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

To ale neznamená, že měření teploty ve stupních Fahrenheita je úplně špatné a nepohodlné. Výhodou této stupnice je, že je přesnější: jednotky Fahrenheita jsou menší než stupně Celsia, takže máme na výběr větší rozsah teplot. Jeden stupeň Celsia se rovná 1,8 stupni Fahrenheita. Pro převod stupnice, na kterou jsme zvyklí, na přesnější bychom museli použít zlomky, a v každodenním životě to není příliš pohodlné.

Poměr stupňů Fahrenheita a Celsia lze vypočítat pomocí speciálního vzorce. Pokud vám tedy v americké nemocnici naměřili tělesnou teplotu 100,5 °F, po převedení na obvyklou stupnici bude výsledek o něco více než 38 stupňů.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Jak převést Fahrenheita na Celsia a naopak?

Vztah mezi stupnicemi Fahrenheita a Celsia je znázorněn speciálním vzorcem. S jeho pomocí si můžete převést požadovaný počet stupňů, pokud se ocitnete v zahraničí.

Takže pokud potřebujete převést na stupně Celsia, vynásobte číslo devíti a poté vydělte pěti. K výsledku přičtěte třicet dva. Například 38 stupňů Celsia by vypadalo takto: 38 × 9/5 + 32 = 100,4 °F.

Pokud potřebujete převést stupně Fahrenheita na stupně Celsia, použijte obrácený vzorec: odečtěte 32, vynásobte hodnotu 5 a vydělte 9. Dostaneme: (38 – 32) × 5/9 = 3,33 °C. Pro výpočty nepotřebujete používat další nástroje, například tabulka stupnic Fahrenheita a Celsia může být potřeba pouze k ověření výsledku.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Fahrenheitovy a Celsiovy stupnice: vzorec pro převod stupňů
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Stupnice Celsia a Fahrenheita: srovnání s funkcemi pro převod

• -50 °C: -58 °F
• -40 °C: -40 °F
• -30 °C: -22 °F
• -20 °C: -4 °F
• -10 °C: 14 °F
• 0 stupňů Celsia: 32 stupňů Fahrenheita
• 10 °C: 50 °F
• 20 °C: 68 °F
• 30 °C: 86 °F
• 40 °C: 104 °F
• 50 °C: 122 °F

Teplota ve stupních Fahrenheita a Celsia se také liší. Například normální tělesná teplota je +97.88 °F (±1.3 stupně) nebo +36.6 °C (±0.7 stupně). Američané také říkají, že bod tuhnutí vody je +32 °F (zatímco my jsme zvyklí na 0 stupňů Celsia) a +212 °F v případě vroucí vody (oproti 100 °C). Zároveň absolutní nula na Fahrenheitově stupnici má hodnotu -459,67 °F.

Jaké další teplotní stupnice existují kromě Fahrenheita a Celsia?

Fahrenheitova a Celsiova stupnice nejsou jedinými dostupnými systémy měření teploty. Jiné se používají méně často, obvykle pro technické účely. Nejznámější stupnice jsou:

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

• Kelvin (K);
• Stupně Reaumura (°Ré);
• Rankineův stupeň (°Ra);
• Stupeň Newton (°N);
• Planckova teplota a další.

Kelvinova stupnice (K)

Kelvinova stupnice začíná na absolutní nule, nejnižší možné teplotě, při které se pohyb částic zcela zpomalí. Tento systém se používá ve fyzice nebo chemii k popisu tepelných procesů a intenzity záření. Například výrobce uvádí na obalu teplotu chromatičnosti žárovky v Kelvinech. Jednotka teploty je podobná Celsiovi.

• Absolutní nula: -273,15 K
• Normální tělesná teplota: 310 K
• Bod tuhnutí vody: 273,1499 K
• Bod varu vody: 373,2 K
• Vztah mezi Kelvinem a stupni Celsia: °C = °C + 273,15 K
• Vztah mezi Kelvinem a Fahrenheitem je: °F = (0 K − 273,15 K) × 9/5 + 32

Reaumurova stupnice (°Ré)

Vyvinul ji René Antoine Réaumur v roce 1731 a byla založena na lihovém teploměru. Stupnice se v Evropě, zejména ve Francii, používala až do XNUMX. století, kdy byla postupně nahrazena Celsiovou stupnicí.

• Absolutní nula: -218,52 °Ré
• Normální tělesná teplota: 29.6 °Ré
• Bod tuhnutí vody: 0 °Ré
• Bod varu vody: 80 °Ré
• Reaumurův vztah ke stupňům Celsia: °C = °C × 0,8 °Ré
• Reaumurův vztah ke stupňům Fahrenheita: °F = ºRé × 2,25 + 32

Online publikace TechInsider
Zakladatel Fashion Press LLC: 117105, Moskva, vnitřní území. městský obvod Donskoy, dálnice Varshavskoe, 9, budova 1
Adresa redakce: 117105, Moskva, vnitřní území města, městský obvod Donskoy, Varšavské dálnice, 9, budova 1
Šéfredaktor: Nikita Aleksandrovich Vasilenok
Redakční e-mailová adresa: info@techinsider.ru
Telefonní číslo redakce: +7 (495) 252-09-99
Označení informačních produktů: 16+
Online publikace je registrována Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi, registrační číslo a datum rozhodnutí o registraci: EL řada č. FS 77 – 84123 ze dne 09. listopadu 2022.

© 2007 — 2025 Fashion Press LLC
Při zveřejňování materiálů na Stránkách uděluje Uživatel společnosti Fashion Press LLC bezplatně nevýhradní práva k používání, reprodukování, distribuci, vytváření odvozených děl, jakož i k zobrazování materiálů a jejich zpřístupňování veřejnosti.

Dlouhou dobu lidé používali k měření teploty pouze vlastní prsty. Myslím, že mnozí z vás ji stále čas od času měří a důvěřují svým hmatovým vjemům. (Velmi chladno, chladno, teplo, horko, pálení.)

Ale jak objektivní jsou taková měření? Dovolte mi uvést jednoduchý příklad. Plyšový medvídek a litinové závaží, když jsou dlouhou dobu uloženy ve stejné místnosti, mají stejnou teplotu. Závaží se však s největší pravděpodobností bude na dotek zdát chladnější.

Abychom pochopili, co je teplota, jak ji přesně měřit a abychom pomohli všem, kteří trpí nespavostí, obraťme se k nudné teorii.

Makroskopická a mikroskopická tělesa.

Žijeme v makrokosmu a všechny objekty, které nás obklopují, se obvykle nazývají makroskopická tělesa.

Ano, váš oblíbený hrnek se v celkovém schématu věcí nemusí zdát dostatečně velký na to, aby se dal označit za makro. Ale vzhledem k obrovskému množství atomů a molekul, ze kterých je složen, si tento titul plně zaslouží.

Samotné atomy a molekuly, stejně jako elektrony, protony a neutrony, se obvykle nazývají mikroskopická tělíska nebo mikroskopické částice.

Soubory makroskopických těles nebo někdy i jednotlivá makroskopická tělesa se nazývají termodynamické systémy.

Protože se tyto systémy skládají z obrovského množství mobilních mikroskopických částic, jsou schopny vyměňovat si hmotu a energii jak uvnitř samotného systému, tak i s okolím.

Jen si představte, jaké procesy se odehrávají ve vašem hrnku, zatímco chladne a čeká na vás v kuchyni.

A zde je zajímavý bod. Pro popis termodynamického systému není nutné brát v úvahu chování každé jednotlivé molekuly. To je v principu nemožné.

Stav termodynamického systému je dokonale charakterizován sadou makroskopických parametrů, které popisují systém jako celek. Jedním z těchto parametrů je teplota.

Teplota a nultý termodynamický zákon

Hned na začátku jsem řekl, že závaží a plyšový medvídek, pokud jsou dlouho v místnosti, budou mít přibližně stejnou teplotu.

Toto tvrzení je založeno na základním postulátu, neboli nultý termodynamický zákon, což vlastně dává definici teploty.

Ať už je stav těles v izolovaném termodynamickém systému jakýkoli, v průběhu času tento systém dosáhne stavu tepelné (termodynamické) rovnováhy a všechny části tohoto systému budou mít stejnou teplotu.

Místnost samozřejmě není zcela izolovaný termodynamický systém. Ale co je ve fyzice to hlavní? Ano, je to tak! Schopnost zanedbávání.

Dokud mají tělesa různé teploty, může mezi nimi docházet k výměně tepla. Horká tělesa se ochladí, studená se zahřejí. Jakmile se však teploty těles vyrovnají, výměna tepla mezi nimi se zastaví.

V tomto ohledu Rudolf Clausius dokonce v roce 1865 předložil hypotézu o tepelné smrti vesmíru. Podle této hypotézy musí vesmír dříve či později dosáhnout termodynamické rovnováhy a zemřít.

Ale vraťme se k teplotě. Zjistili jsme, že teplota je vlastně hodnota, která charakterizuje schopnost těles nebo termodynamických systémů vstupovat do vzájemné tepelné interakce. Pojďme se nyní zamyslet nad tím, jak ji můžeme měřit bez použití prstu.

Měření teploty

Myslím, že není žádným tajemstvím, že se zařízení na měření teploty nazývá teploměrDnes jich existuje velké množství, liší se od sebe tvarem, velikostí, oblastí použití a samozřejmě i principy fungování.

A i když rok 2020 provedl své vlastní úpravy a pyrometr, který umožňuje měřit teplotu na dálku, už nikoho nepřekvapí, nejběžnější teploměry jsou stále kapalinové.

Je to vtipné, ale první teploměry se objevily dříve, než lidé pochopili, co s nimi měří. Proto je velmi těžké říct, kdo přesně tento přístroj vynalezl. Ano, často se zde zmiňuje Galileo Galilei. Jeho termoskop ale neměl ani stupnici, aby se dalo cokoli změřit, takže se dá jen stěží nazvat teploměrem.

Ale skutečnost, že kapalinové teploměry získaly moderní vzhled, který známe z dětství, je rozhodně zásluhou Gabriela Fahrenheita.

Fahrenheitovy teploměry byly obzvláště přesné. Navíc se údaje na libovolných dvou jeho kopiích vždy shodovaly. Není divu, že si ve své době získaly velkou popularitu.

Zvláštností teploty je, že ji nemůžeme měřit přímo, ale můžeme ji posuzovat pouze podle změny jiných makroparametrů. Kapalinové teploměry jsou založeny na tepelné roztažnosti kapaliny. To znamená, že změnu teploty posuzujeme podle změny jejího objemu.

Ve svých prvních teploměrech, počínaje rokem 1709, Fahrenheit používal barevný líh. Později, v roce 1714, však přešel na těžký kov. A to rtuť.

Jak si vytvořit vlastní teplotní stupnici?

Pokud potřebujeme změřit teplotu. Řekněme teplotu vody v hrnci. Umístíme do vody teploměr. Jeho teplota se rychle vyrovná s teplotou vody. Vzpomeňme si na nultý termodynamický zákon. Alkohol zase zaujme objem odpovídající této teplotě a sloupec teploměru bude ukazovat teplotu.

Ale je dobré, když je venku 21. století a my jsme si teploměr koupili v nejbližším řetězcovém supermarketu. Ale co když ne? Co když je začátek 18. století a my si teploměr vyrobili sami, doslova na koleni?

Je nutné si vytvořit vlastní teplotní stupnici, která umožní porovnávat hodnoty teploměru s teplotami fyzikálních jevů považovanými za standard.

Změříme teplotu sousedovy kočky a vezmeme ji jako nulu. To bude náš první referenční bod. Jako druhý bod můžeme vzít teplotu boršče vroucího na sporáku. Změříme ji a vezmeme ji jako 100. Nyní rozdělíme sloupec teploměru od prvního do druhého bodu na 100 stejných částí (stupňů) a naše stupnice je hotová.

Je to všechno velmi jednoduché, takže není divu, že do konce 18. století celkový počet známých šupin dosáhl devatenácti. A když uvážíme, že mohly existovat i neznámé, jako ta naše. Naštěstí se ne všechny dochovaly dodnes. Podívejme se na ty nejodolnější.

Fahrenheita

Ve své stupnici Fahrenheit nepoužíval dva, ale tři hlavní referenční body. Bod tuhnutí směsi ledu, vody a amoniaku byl brán jako nula, což podle jedné verze odpovídalo teplotě nejchladnějšího zimního dne roku 1709.

Druhým bodem je bod mrazu vody. Dosáhl 32 stupňů.

A třetí bod, na 100 stupních, by měla být teplota zdravého člověka. Ale buď před 300 lety měli lidé větší teplotu, nebo Fahrenheit měřil něco nesprávně.

Obecně platí, že 100 °F není teplota zdravého člověka, ale velmi nemocného člověka. Existuje verze, podle které Fahrenheit bral teplotu své ženy jako standard teploty zdravého člověka. Ale v tu chvíli byla nemocná a ukázalo se, co se ukázalo.

Použijme vzorec pro převod stupňů Fahrenheita na známé stupně Celsia a zjistěme, jakou teplotu měla vědcova žena.

T(°C) = 5/9 x (t(°F) – 32)

Pro určení normální teploty člověka na Fahrenheitově stupnici použijeme inverzní vzorec:

T(°F) = 9/5 x (t(°C) + 32)

To znamená, že normální lidská teplota je přibližně 98 °F.

Fahrenheitova stupnice se v anglicky mluvících zemích používala až do roku 1960, kdy byl zaveden Mezinárodní systém jednotek (SI) s Kelvinem a Celsiem. Jak víte, USA systém SI nepřijaly. Pokud je tedy vaše teplota 98 stupňů a necítíte se nijak znepokojeni, pak s největší pravděpodobností žijete v USA. Nebo v Libérii, Belize, Palau, Kajmanských ostrovech nebo na Bahamách. Obecně v těch koutech naší planety, kde se Fahrenheit stále používá. A přejdeme k Celsiovi.

Celsia

Ani Celsiova stupnice není tak jednoduchá. Jsme zvyklí, že led taje při nule stupňů a voda se vaří při sta. Pokud byste to ale řekli švédskému astronomovi, geologovi a meteorologovi Andersi Celsiovi, jehož jméno tato stupnice nese, byl by s největší pravděpodobností nesmírně překvapen.

Celsia mátly záporné teploty, proto ve své stupnici definoval nulu jako bod varu vody a sto stupňů jako bod tání ledu. To znamená, že moderní stupnice je obrácená Celsiova stupnice. A byl to Celsiův krajan Martin (Morten) Stremer, kdo jí dal podobu, kterou všichni známe. Po Celsiově smrti.

Takže to, co se nazývá Celsiova stupnice, by se správněji nazývalo Stremerova stupnice. A zdá se, že zpočátku se tak nazývala ve Švédsku, dokud ji Jöns Jacob Berzelius ve své učebnici chemie mylně nenazval Celsiovou stupnicí. Učebnice byla vydána nejen ve Švédsku, ale i v zahraničí…

Toto je opět jedna z verzí. Existují i další. Podle jedné z nich stupnici převrátil Linné, švédský botanik, a podle jiné sám Celsius. Opět na radu Martina Stremera.

Absolutní nula a Kelvinova stupnice.

Fahrenheitova stupnice, Celsiova stupnice a dokonce i naše vlastní stupnice mají jednu významnou nevýhodu. Jsou relativní. Voda se v závislosti na tlaku může vařit při různých teplotách, teplota manželky také není konstantní, stejně jako teplota kočky.

Ano, abyste pochopili, co si obléct, kabát nebo péřovou bundu, bude teploměr se stupnicí Celsia za oknem zcela dostačující. Ale pro vědu všechny tyto potíže s tlakem, v zimě roku 1709 a boršč na sporáku přinesou určité nepříjemnosti. Je potřeba absolutní stupnice, která už nezávisí na žádných nesmyslech.

Tuto stupnici navrhl lord Kelvin, známý také jako Thompson.

Referenčním bodem v této stupnici byla absolutní nula – teplota, při které se všechny procesy v látce zastaví. To znamená, že se atomy a molekuly přestanou pohybovat.

Je zřejmé, že pro takové měřítko neexistují žádné záporné teploty.

Kelvin navíc vzal za základ existující Celsiovu stupnici, kterou jednoduše snížil o 273,15 stupňů. To vše je velmi pohodlné pro přepínání mezi stupnicemi.

Potřebujeme převést Celsia na Kelviny, přičíst 273. Pokud naopak Kelviny na Celsia, odečíst 273.

S touto znalostí je snadné určit absolutní nulu na Kelvinově stupnici. Odečtěte 273 od nuly a dostanete -273 stupňů Celsia. Přesněji řečeno -273,15 °C. Jen se pro výpočty často používá hodnota zaokrouhlená na celá čísla.

To je vše. Pro dnešek se zde zastavíme. Pro zahřátí si můžete převést teplotu chladné zimy roku 1709 na stupně Celsia, vyjádřit teplotu vaší kočky v Kelvinech a samozřejmě určit bod varu boršče v USA. Své výsledky napište do komentářů. Všem přeji teplo!

• Аши соцсети: