Celsius, Fahrenheit a kelvin: jak fungují teplotní stupnice
Většina světa řekne, že venku je 20 stupňů, Američané řeknou 68 a fyzička možná 293. Všichni popisují tentýž příjemný jarní den.
Teplota je mezi jednotkami zvláštní: její stupnice se neliší jen velikostí dílku, ale začínají i v různých nulových bodech. Tento článek vysvětlí, odkud se každá stupnice vzala, jak převádět přesně i z hlavy a jakou chybu při převodu dělají i pečliví lidé.
Tři stupnice, tři výchozí body
Celsius (°C) klade 0° do bodu mrazu vody a 100° do bodu varu vody u hladiny moře. Anders Celsius navrhl stupnici v roce 1742. Zajímavé je, že jeho původní verze byla obrácená – voda vřela při 0° a mrzla při 100° – a krátce po jeho smrti ji obrátili.
Fahrenheit (°F) definoval Daniel Gabriel Fahrenheit na začátku 18. století. Na jeho stupnici voda mrzne při 32° a vře při 212°, takže mezi oběma body je 180 stupňů Fahrenheita místo 100. Dnes se Fahrenheit používá hlavně v USA a v několika dalších zemích.
Kelvin (K) je vědecká stupnice. Začíná na absolutní nule, nejnižší fyzikálně možné teplotě, při které mají částice nejmenší možnou energii. Kelvin je stejně velký jako stupeň Celsia, stupnice jsou tedy jen posunuté: 0 K je −273,15 °C. Od roku 1968 se jednotka nazývá „kelvin“ bez slova „stupeň“ – píše se 293 K, ne 293 °K.
| Referenční bod | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Absolutní nula | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Celsius rovná se Fahrenheit | −40 °C | −40 °F | 233,15 K |
| Voda mrzne | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Příjemná místnost | 20 °C | 68 °F | 293,15 K |
| Lidské tělo | 37 °C | 98,6 °F | 310,15 K |
| Voda vře (hladina moře) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Přesné vzorce
Protože se nulové body liší, převod mezi Celsiem a Fahrenheitem vyžaduje násobení i sčítání:
°F = °C × 9/5 + 32
°C = (°F − 32) × 5/9
Pro kelviny stačí posun:
K = °C + 273,15
°C = K − 273,15
Příklad: převod 25 °C na Fahrenheity.
25 × 9/5 + 32 = 45 + 32 = 77 °F
Příklad: převod 50 °F na Celsia.
(50 − 32) × 5/9 = 18 × 5/9 = 10 °C
Převodníky Celsius na Fahrenheit a Fahrenheit na Celsius ukážou výsledek pro jakoukoli hodnotu okamžitě.
Zkratka z hlavy na počasí
Pro běžné teploty platí: hodnotu ve stupních Celsia zdvojnásobte a přičtěte 30:
20 °C → 20 × 2 + 30 = 70 °F (přesně: 68 °F)
Opačným směrem: odečtěte 30 a vydělte dvěma:
80 °F → (80 − 30) ÷ 2 = 25 °C (přesně: 26,7 °C)
Zhruba mezi 0 °C a 30 °C se zkratka liší jen o pár stupňů, což pokryje většinu počasí. V extrémech se zhoršuje, takže ji nepoužívejte při vaření, ve zdravotnictví ani na nic technického.
Chyba, kterou dělá skoro každý: rozdíly teplot
Předpověď počasí hlásí, že zítra bude o 10 °C tepleji. Kolik je to ve Fahrenheitech?
Když dosadíte 10 do vzorce, vyjde 50 °F – ale to je špatně. Vzorec převádí naměřenou hodnotu teploty a „+ 32“ v něm je jen proto, že se liší nulové body. Rozdíl dvou teplot žádný nulový bod nemá; záleží jen na velikosti stupně:
Změna o 10 °C = změna o 10 × 9/5 = 18 °F
Totéž platí pro tolerance, kalibraci trub a klimatická data. Globální oteplení o 1,5 °C je oteplení o 2,7 °F, ne o 34,7 °F. Mezi Celsiem a kelvinem je rozdíl v obou jednotkách stejné číslo: zvýšení o 1 °C je zvýšení o 1 K.
Proč věda používá kelviny
Mnoho fyzikálních zákonů závisí na absolutní teplotě, měřené od absolutní nuly. Ve stavové rovnici ideálního plynu například zdvojnásobení teploty plynu v kelvinech při stálém objemu zdvojnásobí jeho tlak. Zdvojnásobení teploty ve stupních Celsia nemá fyzikální smysl: 20 °C není „dvakrát tepleji“ než 10 °C. V kelvinech jde o srovnání 293 K s 283 K – je to jen asi o 3,5 % víc.
Od roku 2019 je kelvin definován pevně stanovenou hodnotou Boltzmannovy konstanty, která spojuje teplotu s energií, a ne vlastnostmi vody. V běžném životě se nic nezměnilo: voda stále mrzne přibližně při 0 °C.
Shrnutí
- Celsius a Fahrenheit mají různé nulové body i různě velké stupně; kelvin má velikost stupně Celsia, ale začíná na absolutní nule.
- °F = °C × 9/5 + 32; K = °C + 273,15.
- Na počasí stačí „zdvojnásobit a přičíst 30“ – odchylka je jen pár stupňů.
- Rozdíly teplot převádějte jen podle velikosti stupně: změna o 1 °C = změna o 1,8 °F.
- −40 je jediná teplota, která je ve stupních Celsia i Fahrenheita stejná.
Jakoukoli teplotu převedete převodníkem teploty, včetně kelvinů a méně obvyklých stupnic Rankine a Réaumur.