Цельсий, Фаренгейт и Кельвин: как работают температурные шкалы
Бо́льшая часть мира скажет, что на улице 20 градусов, американцы скажут 68, а физик, возможно, скажет 293. Все описывают один и тот же приятный весенний день.
Температура — особая единица: её шкалы отличаются не только размером градуса, но и начинаются с разных нулевых точек. Это руководство объясняет, откуда происходит каждая шкала, как пересчитывать точно и в уме и какую ошибку при пересчёте делают даже внимательные люди.
Три шкалы, три точки отсчёта
Цельсий (°C) ставит 0° в точку замерзания воды, а 100° — в точку её кипения на уровне моря. Андерс Цельсий предложил шкалу в 1742 году. Любопытно, что его исходная версия была перевёрнутой — вода кипела при 0° и замерзала при 100°, — и её перевернули вскоре после его смерти.
Фаренгейт (°F) определил Даниэль Габриэль Фаренгейт в начале XVIII века. На его шкале вода замерзает при 32° и кипит при 212°, так что между этими точками 180 градусов Фаренгейта вместо 100. Сегодня шкалой Фаренгейта пользуются в основном в США и ещё нескольких странах.
Кельвин (K) — научная шкала. Она начинается от абсолютного нуля, самой низкой физически возможной температуры, при которой частицы обладают наименьшей возможной энергией. Кельвин имеет тот же размер, что и градус Цельсия, поэтому шкалы лишь сдвинуты: 0 K — это −273,15 °C. С 1968 года единицу называют «кельвин» без слова «градус» — пишут 293 K, а не 293 °K.
| Точка отсчёта | Цельсий | Фаренгейт | Кельвин |
|---|---|---|---|
| Абсолютный ноль | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Цельсий равен Фаренгейту | −40 °C | −40 °F | 233,15 K |
| Вода замерзает | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Комфортная комната | 20 °C | 68 °F | 293,15 K |
| Тело человека | 37 °C | 98,6 °F | 310,15 K |
| Вода кипит (уровень моря) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Точные формулы
Поскольку нулевые точки разные, перевод между Цельсием и Фаренгейтом требует и умножения, и сложения:
°F = °C × 9/5 + 32
°C = (°F − 32) × 5/9
Для кельвинов достаточно сдвига:
K = °C + 273,15
°C = K − 273,15
Пример: перевести 25 °C в градусы Фаренгейта.
25 × 9/5 + 32 = 45 + 32 = 77 °F
Пример: перевести 50 °F в градусы Цельсия.
(50 − 32) × 5/9 = 18 × 5/9 = 10 °C
Конвертеры Цельсий в Фаренгейт и Фаренгейт в Цельсий мгновенно показывают результат для любого значения.
Способ считать в уме для погоды
Для повседневных температур: удвойте значение в градусах Цельсия и прибавьте 30:
20 °C → 20 × 2 + 30 = 70 °F (точно: 68 °F)
В обратную сторону: вычтите 30 и разделите пополам:
80 °F → (80 − 30) ÷ 2 = 25 °C (точно: 26,7 °C)
Примерно между 0 °C и 30 °C этот способ ошибается лишь на несколько градусов, что охватывает бо́льшую часть погоды. На крайних значениях он становится хуже, поэтому не используйте его на кухне, в медицине или для чего-то технического.
Ошибка, которую делает почти каждый: разница температур
Допустим, прогноз говорит, что завтра будет на 10 °C теплее. Сколько это в градусах Фаренгейта?
Если подставить 10 в формулу, получится 50 °F — но это неверно. Формула переводит показание температуры, а «+ 32» существует лишь потому, что нулевые точки разные. Разница двух температур не имеет нулевой точки; важен только размер градуса:
Изменение на 10 °C = изменение на 10 × 9/5 = 18 °F
То же касается допусков, калибровки духовок и климатических данных. Глобальное потепление на 1,5 °C — это повышение на 2,7 °F, а не на 34,7 °F. Между Цельсием и кельвином разница — одно и то же число в обеих единицах: повышение на 1 °C — это повышение на 1 K.
Почему наука использует кельвины
Многие физические законы зависят от абсолютной температуры, отсчитываемой от абсолютного нуля. Например, в уравнении состояния идеального газа удвоение температуры газа в кельвинах при постоянном объёме удваивает его давление. Удвоение температуры в градусах Цельсия физического смысла не имеет: 20 °C — это не «вдвое теплее», чем 10 °C. В кельвинах сравнивают 293 K и 283 K — лишь примерно на 3,5 % больше.
С 2019 года кельвин определяют через фиксированное значение постоянной Больцмана, связывающей температуру с энергией, а не через свойства воды. В повседневной жизни ничего не изменилось: вода по-прежнему замерзает примерно при 0 °C.
Главное
- Цельсий и Фаренгейт имеют разные нулевые точки и градусы разного размера; кельвин имеет размер градуса Цельсия, но начинается от абсолютного нуля.
- °F = °C × 9/5 + 32; K = °C + 273,15.
- Для погоды способ «удвоить и прибавить 30» ошибается лишь на несколько градусов.
- Разницу температур пересчитывайте только по размеру градуса: изменение на 1 °C = изменение на 1,8 °F.
- −40 — единственная температура, одинаковая по Цельсию и по Фаренгейту.
Любую температуру можно пересчитать конвертером температуры, в том числе в кельвины и менее распространённые шкалы Ранкина и Реомюра.