Celsius, Fahrenheit şi Kelvin

Majoritatea materialelor îşi măresc volumul pe măsură ce sunt încălzite, iar funcţionarea termometrelor pe care le folosim cu toţii se bazează pe acelaşi principiu. Rezervorul cu lichid şi tubul termometrului conţin o cantitate predeterminată de alcool sau mercur care, la temperaturi scăzute, încape în rezervor. Atunci când temperatura mediului ambiant creşte, lichidul se dilată, urcând prin tubul capilar al termometrului. Pe măsură ce lichidul urcă, nivelul acestuia măsurat pe scala gradată fixată în dreptul tubului capilar indică temperatura ambientului.

Primele termometre au purtat numele de termoscoape, iar versiuni diferite de termoscoape au fost construite de mai mulţi inventatori cam  în aceeaşi perioadă. Totuşi, inventatorul italian Santorio Santorio a fost primul care a prevăzut instrumentul său cu o scară numerică. Deşi lui Galileo Galilei i se atribuie meritul de a fi construit primul termometru în anul 1593 (un termometru rudimentar cu apă, primul care a permis măsurarea variaţiilor de temperatură), Gabriel Fahrenheit punea la punct de-abia în anul 1714 primul termometru cu mercur şi tub capilar închis, adevăratul precursor al termometrului modern.

Această invenţie, alături de scara pe care tot el o va defini un an mai târziu, sunt cele 2 contribuţii ştiinţifice importante ale fizicianului german. Scara Fahrenheit, dezvoltată deci în 1714, este prima scară de măsură a temperaturii imaginată vreodată şi  foloseşte ca temperaturi de referinţă punctul de îngheţ al apei - stabilit la 32⁰F şi punctul de fierbere al apei reprezentat de valoarea de 212⁰F.

Pe scara Fahrenheit, punctul de îngheţ al apei este poziţionat la 32 de grade Fahrenheit, iar cel de fierbere la 212 °F (măsurate la presiune atmosferică normală), ceea ce înseamnă că cele două puncte sunt separate de 180 de grade. Astfel că un grad pe scara Fahrenheit înseamnă ¹⁄₁₈₀ din intervalul cuprins între valorile de îngheţ şi fierbere ale apei. Desigur, mai ales pentru cei obişnuiţi cu scara Celsius, se naşte întrebarea: cum a ales Fahrenheit tocmai aceste valori?

Fahrenheit nu a definit temperatura de îngheţ a apei la 32⁰. În fapt, el nu a folosit iniţial apă pură, ci un amestec salin, din care cauză temperatura de îngheţ a acestei mixturi a coborât sub valoarea care ar fi fost obţinută dacă se folosea doar apă. A stabilit la 0⁰F temperatura de îngheţ a acestui amestec. Apoi, după ce a definit intervalele (gradele) între temperatura de îngheţ şi cea de fierbere, a descoperit că, de fapt, apa îngheaţă la 32⁰F, conform celor stabilite anterior.

Fahrenheit a fost prima persoană care a folosit mercur în locul alcoolului într-un termometru. Iar acest lucru prezintă o serie de avantaje. Mercurul rămâne în starea de agregare lichidă pentru un interval foarte mare de temperaturi. Punctul de îngheţ al acestei substanţe este poziţionat la  -39⁰C, iar cel de fierbere la 357⁰C. Acest foarte mare interval este potrivit pentru efectuarea măsurărilor de laborator. Mai mult, Fahrenheit a ales această substanţă şi deoarece are o rată constantă şi destul de mare de expansiune la creşterea temperaturii.

Altfel spus, pentru fiecare grad cu care creşte temperatura mercurului, acesta se ridică în tubul capilar al termometrului în cantităţi perceptibile şi constante în raport cu creşterea temperaturii, raţiune din care şi gradele de pe scările Fahrenheit şi Celsius sunt dispuse la distanţe egale şi destul de mari unele de altele. Astfel, construcţia, marcajul şi utilizarea unor asemenea termometre devin operaţii foarte facile. Totuşi, termometrele cu alcool rămân mai des utilizate în regiunile foarte reci precum Alaska şi Siberia, unde mercurul ar îngheţa în anumite perioade ale anului (temperatura de îngheţ a mercurului fiind, mai exact, de -38.72⁰C).

Mercurul, cunoscut şi cu numele de argint viu, este unul din cele 4 metale care există în stare lichidă la temperatura camerei. Este folosit de secole în industria medicală, dar nu numai (îl găsim şi în lămpile fluorescente, tensiometre, fungicide, pesticide etc.), fiind substanţa care, alături de plumb, este la originea celor mai multe otrăviri, în special din cauza deteriorării sau spargerii accidentale a termometrelor şi a altor dispozitive folosite în gospodărie. Mercurul este un metal periculos, care poate cauza leziuni serioase, îndeosebi la nivelul rinichilor şi sistemului nervos.  Vaporii de mercur pot cauza  serioase probleme la nivelul sistemului respirator, inclusiv pneumonii. Multe din leziunile şi celelalte afecţiuni provocate de mercur sunt ireversibile.

Este interzis să intrăm în contact direct cu această substanţă dacă cumva deteriorăm vreun termometru. Este preferabil ca lichidul să fie adunat cu atenţie, folosind câteva ustensile de ajutor pentru a fi ulterior depozitat cu grijă în locuri speciale şi etichetat ca material periculos. Deşi otrăvirea cu mercur nu se produce decât după ce sunt înghiţite sau se vine în contact cu nişte cantităţi mai mari, sunt recomandate măsuri foarte serioase de precauţie la mânuirea containerelor conţinând acest material. Mercurul nu este găsit doar în termometre, ci este folosit şi în cadrul barometrelor, aparatele care măsoară presiunea atmosferică.

Scara Celsius poartă numele lui Anders Celsius, astronom suedez care şi-a dedicat viaţa observării cerului. Înainte de a dezvolta scara Celsius, în 1742, Celsius a publicat în 1733 o carte în care detalia sute de observaţii făcute cu privire la fenomenul aurorei boreale. Anders Celsius s-a născut în anul 1701 în oraşul suedez Uppsala şi a murit în anul 1744, la vârsta de doar 43 de ani.

Pe scara Celsius, punctele de îngheţ şi fierbere ale apei sunt separate de 100 de grade. Un interval de temperatură de 1 grad Fahrenheit este echivalent cu un interval de ⁵⁄₉ grade Celsius. Scările Fahrenheit şi Celsius converg la −40 de grade (adică -40 °F şi −40 °C reprezintă aceeaşi temperatură).

Scara de măsură a temperaturii numită Kelvin, inventată de Lord William Thomson Kelvin (26 iunie 1824 – 17 decembrie 1907) în anul 1848,  este folosită pe scară largă îndeosebi în mediile academice. Lui William Thomson, fizician şi inginer britanic născut în Irlanda, i-a fost acordat titlul de Baron Kelvin în cinstea realizărilor sale, fiind deseori numit Lord Kelvin. Titlul nobiliar se referă la râul Kelvin, care traversează campusul  Universităţii din Glasgow, Scoţia, locul unde William Thomson şi-a desfăşurat activitatea de cercetare ştiinţifică.

Zero absolut este o temperatură teoretică indicând un nivel energetic nul. Fiecare grad de pe scara Kelvin este egal cu un grad de pe scara Celsius, diferenţa făcându-se la poziţionarea temperaturii de zero grade. În cazul scării Celsius, 0⁰C este temperatura la care îngheaţă apa, în timp ce pentru scara Kelvin nivelul de zero grade este cel al lui zero absolut. 0⁰K echivalează cu -273.15⁰C, iar 0⁰C este egal cu 273.15⁰K. Cei mai mulţi oameni de ştiinţă preferă scara Kelvin pentru că aceasta nu se raportează la punctele de schimbare a stării de agregare a apei, ci la cea mai scăzută temperatură posibil de atins - zero absolut.

Aşa cum cei mai mulţi oameni folosesc metrul ca unitate de măsură a distanţei, la fel s-a impus scara Celsius ca fiind scara preferată pentru măsurarea temperaturii. Dezvoltată la începutul secolului 18, această scară se raportează la punctele de îngheţ şi fierbere ale apei. Iniţial, punctului de îngheţ i s-a asociat temperatura de 100⁰C, în timp ce temperatura de fierbere a fost de 0⁰C. Biologul suedez Carolus Linnaeus, coleg cu Celsius la Universitatea din Upsalla (al patrulea oraş ca mărime al Suediei), celebru pentru clasificările de plante şi animale, a inversat cele două valori.

Asemenea scărilor Kelvin şi Celsius, şi scările Fahrenheit şi Rankine sunt foarte apropiate. Asemenea scării Kelvin, scara Rankine începe de la valoarea zero absolut. Zero Rankine este egal cu -459.7⁰F, iar valorile cresc cu câte un grad pe ambele scări, la fel cum unei creşteri de un grad pe scara Celsius îi corespunde o creştere de un grad pe scara Kelvin.

Referinţă practică / Scara	Celsius	Kelvin	Fahrenheit	Rankine
Zero absolut	-273.15	0	-459.7	0
Temperatura de îngheţ a apei	0	273.15	32	491.7
Temperatura corpului omenesc	37	310.15	98.6	558.3
Temperatura de fierbere a apei	100	373.15	212	671.7

Din	În	Formula
Fahrenheit (F)	Celsius (C)	C=5/9(F-32)
Celsius (C)	Fahrenheit (F)	F=9/5C+32
Kelvin (K)	Celsius (C)	C=K-273.2
Celsius (C)	Kelvin (K)	K=C+273.2
Fahrenheit (F)	Rankine (R)	F=R-459.7
Rankine (R)	Fahrenheit (F)	R=F+459.7