Для измерения температуры – самого ощущаемого и наблюдаемого физического параметра – были изобретены ряд шкал и единиц, но только две основные единицы нашли в настоящее время повседневное применение. Двум европейским ученым 18 века приписывается создание используемых в настоящее время шкал температуры в градусах Фаренгейта (°F) и в градусах Цельсия (°C), из которых последняя используется фактически повсеместно за исключением США.
Ключом к установлению достоверной температурной шкалы является нахождение повторяющихся стандартных точек, например точек изменения состояния воды. Немецкий физик Габриэль Фаренгейт (1686-1736) первоначально основывал свою шкалу на трех точках. В первой точке температура смеси льда и соленой воды принималась за ноль, во второй точке температура смеси льда и чистой воды принималась за 30, и, наконец, в третьей точке температура в полости рта здорового человека определялась как 96. В соответствии с этой шкалой точка кипения воды (при нормальном атмосферном давлении) имела значение 212. Для того, чтобы средняя величина интервала между точками кипения и замерзания воды была равна более приемлемому числу (180), Фаренгейт в последующем скорректировал точку замерзания воды и установил ее равной 32.
Шведский астроном Андерс Цельсий (1701-1744) с помощью точных экспериментов установил более рациональную шкалу, в которой 0 соответствовал точке кипения воды, а 100 – точке замерзания. После его смерти шкала была изменена противоположным образом и сейчас используется именно в таком виде. Из-за того, что шкала C охватывала „100-точечный“ интервал между точками замерзания и кипения воды, она была принята как стоградусная шкала. Только в наше время (1948 г.) для обозначения „градусы Цельсия“ был применен символ °C.
Поскольку шкалы C и F основаны на одних и тех же физических точках (изменениях состояния воды), то установление соотношения между ними не представляет труда. График взаимосвязи – прямая линия, соединяющая стандартные точки 1 и 2 и продолженная в обоих направлениях, может служить полезным инструментом визуализации. Кроме обеспечения физического понимания температурных шкал, линия дает нам уравнение связи между C и F „с первого взгляда“. Такой график может быть рекомендован для каждого, кто работает с температурными преобразованиями.
Соотношение шкал Цельсия и Фаренгейта
Поскольку мы знаем наклон линии (2z/1z = 180/100 или 1.8) и ее смещение на 32 единицы по оси F (точка, где C = 0), то с помощью элементарной математики сразу можно получить уравнение линии:
F = 1.8C + 32, которое легко решается для С, давая C = (F — 32)/1.8.
И это все формулы преобразования, необходимые пользователю. Они должны быть проще часто применяемых таблиц, содержащих дробные числа. Кроме того, график объясняет – почему шкалы C и F имеют одну точку числовой эквивалентности при -40 (так называемую „уникальную“ точку). Это происходит в точке A в третьем квадранте, где xA = yA. Точки графика, находящиеся между точками B и G, обеспечивают определение других интересных в физическом плане температурных точек.
Так, например, продление линии вниз позволяет определить конечную точку 3, известную как абсолютный ноль (-273.15 °C; -459.67 °F). Эта теоретически самая низкая возможная температура вещества является нулевой точкой шкалы Кельвина, предложенной английским ученым Вильямом Томсоном (Лорд Кельвин) в 1848 году. Шкала температур Кельвина применяется в науке и технике и определяется без приставки „градусы“ (т.е., 283 K = 10 °C = 50 °F).
Продление линии вверх не имеет определенного предела. Множество промышленных и физических процессов осуществляются при температурах до нескольких тысяч градусов F или C.