Temperatuur – Fahrenheit, Celsius, Kelvin

Hitte en kou worden gemeten aan de hand van een numerieke schaal die we temperatuur noemen. Temperatuurschalen worden gebruikt om te communiceren over het weer, het meten van veiligheid en comfort en om de natuurkundige wereld te verklaren. We gebruiken door wetenschappers gekozen basislijnen om relatieve metingen te doen. Temperatuurschalen meten de hitte intensiteit oftewel de hoeveelheid thermische energie die een materiaal of een substantie (bijvoorbeeld lucht, een glas water of de oppervlakte van de Zon) bevat. Er zijn drie veel gebruikte temperatuurschalen: Fahrenheit, Celsius en Kelvin.

Wat is temperatuur?

Temperatuur is energie die met een instrument dat we thermometer noemen, wordt gemeten. De term thermometer komt van de Griekse woorden ‘thermos’(heet) en ‘metron’(meten). Een andere definitie van temperatuur is dat het een maar voor kinetische energie is, de energie van een massa in beweging, of van de beweging van de moleculen van een substantie.

Ongeveer 400 jaar voor Christus stelde de Griekse natuurkundige Hippocrates al dat de menselijke hand gebruikt kon worden om te bepalen of iemand koorts heeft of niet. Het duurde echter tot de 16de en 17de eeuw voordat er nauwkeurige instrumenten beschikbaar kwamen om de lichaamstemperatuur te meten.

Fahrenheit – de eerste nauwkeurige thermometer

In 1714 onthulde de Pools-Nederlandse arts, uitvinder en maker van wetenschappelijke instrumenten Daniel Gabriel Fahrenheit een op kwik gebaseerde thermometer. Kwik is een vloeibaar metaal dat uitzet en krimpt met de omgevingstemperatuur. Toen Fahrenheit kwik in een afgesloten en gemerkte buis deed zag hij dat het niveau daalde en steeg al naar gelang de verschillende temperaturen. Het was de eerste praktisch bruikbare, nauwkeurige thermometer.

Fahrenheit had zijn uitvinding gebaseerd op de op alcohol gebaseerde thermometer van de Deense wetenschapper Ole Romer.  Romer gebruikte het vriespunt van brijn (zout water) als nulpunt en 60 als punt waarop water kookt. Op de schaal van Romer smelt ijs bij 7,5 graden en heeft het menselijk lichaam een temperatuur van 22,5 graden.

De thermometer van Fahrenheit was echter veel nauwkeuriger. Hij gebruikte dezelfde vries- en kookpunten als Romer. Hij noemde deze ‘extreem koud’ en extreem heet’ maar hij vermenigvuldigde de schaal met ongeveer een factor vier om zo iedere markering op zijn schaal beter te kunnen onderverdelen. De vier belangrijkste punten op de schaal van Fahrenheit waren: 0 (het gezamenlijke vriespunt van brijn), 30 (het vriespunt van gewoon water), 90 (lichaamstemperatuur) en 240 (kookpunt van water).

In 1724 publiceerde Fahrenheit in een artikel in het tijdschrift Philosophical Transactions zijn temperatuurschaal. In datzelfde jaar werd Celsius opgenomen in de Royal Society, de nationale wetenschapsacademie van het Verenigd Koninkrijk. Zijn lidmaatschap van de Royal Society resulteerde erin dat zijn thermometer en daarmee zijn temperatuurschaal, in het bijzonder werd geaccepteerd in Engeland en bijgevolg later ook in Noord-Amerika en het Britse rijk. Het meetsysteem van Fahrenheit, ook wel onderdeel van het imperiale systeem genoemd, reisde de wereld rond met het Britse rijk.

Tegenwoordig wordt de schaal van Fahrenheit nog slechts in een paar landen gebruikt. De Verenigde Staten samen met zijn overzeese gebieden meer ook de Bahama’s, Palau, Belize, de Kaaiman Eilanden maar ook Micronesië en de Marshall Eilanden gebruiken nog steeds de Fahrenheitschaal. De rest van de wereld is inmiddels over naar de temperatuurschaal van Celsius.

Na de deel van Fahrenheit in 1736 werd zijn schaal opnieuw ingedeeld om de schaal nog nauwkeuriger te maken. De exacte vries- en kookpunten van water, min het zout, werden als 32 en 212 graden Fahrenheit gemarkeerd. De menselijke lichaamstemperatuur werd 98,6 graden Fahrenheit.

De temperatuur in Fahrenheit wordt uitgedrukt als °F of gewoon F.

Celsius – een meer wetenschappelijke schaal

Anders Celsius was de eerste die zorgvuldige experimenten uitvoerde en publiceerde die gericht waren op de definitie van een internationale temperatuurschaal gebaseerd op wetenschappelijke gronden. Celsius was een Zweedse astronoom en hij is de ontdekker van het verband tussen het noorderlicht en het magnetisch veld van de Aarde. Ook ontwikkelde hij een methode om de helderheid van sterren te bepalen.

In een voorstel aan de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in 1724 stelde Celsius een schaal voor op basis van twee vaste punten: 0 (het kookpunt van water) en 100 (het vriespunt van water). Na zijn dood in 1744 stelde de beroemde Zweedse taxonoom Carl Linnaeus voor om de vaste punten om te wisselen waarbij 0 het vriespunt van water aangeeft en 100 het kookpunt. De schaal is ook uitgebreid met negatieve waardes.

Celsius noemde zijn schaal aanvankelijk ‘centigraad’ naar het Latijn voor honderd (çenti’) graden (‘grade’). Dit omdat er 100 punten waren tussen bevriezend en kokend water. In 1948 veranderde een internationale conferentie over gewichten en maten (de Conference General des Poids et Measure) de naam naar ‘Celsius’, dit ter ere van Anders Celsius.

De schaal van Celsius maakt deel uit van met metrische systeem, ook wel het Internationale Systeem van Eenheden (SI). De temperatuur in Celsius wordt weergegeven als °C of C.

De schaal van Celsius bevat tussen het vriespunt van water en het kookpunt van water 100 graden. De schaal van Fahrenheit heeft in dit bereik 190 graden. Dit betekent dat één graad Celsius overeenkomt met 1,8 graden Fahrenheit. Bij -40 °C hebben beide schalen dezelfde waarde: -40 °C = -40 °F.

Kelvin – de absolute schaal voor wetenschappers

In 1848 stelde de Britse wiskundige en wetenschapper William Thomson (ook bekend als Lord Kelvin) een absolute temperatuurschaal voor die onafhankelijk was van de eigenschappen van een stof zoals ijs of het menselijk lichaam. Hij suggereerde dat het temperatuurbereik in het heelal de schalen van Celsius en Fahrenheit ver zou overtreffen. Het concept van een absolute minimumtemperatuur was niet nieuw maar Kelvin plakte er een exact getal op: 0 Kelvin is gelijk aan -273,15 °C.

De thermodynamische temperatuur verschilt van temperaturen die zijn gebaseerd op vries- en smeltpunten van vloeistoffen. De thermodynamische temperatuur is absoluut en niet ten opzichte van vaste punten. Het beschrijft de hoeveelheid kinetische energie die de deeltjes bevatten die een klodder materie vormen, die wiebelen op submicroscopische niveaus. Naarmate de temperatuur daalt vertragen de deeltjes totdat op een gegeven moment alle beweging ophoudt. Dit is het absolute nulpunt, de maatstaf van de Kelvinschaal.

Het absolute nulpunt bevindt zich op -273,15 °C of -459,67 °F. Tot recent dachten wetenschappers dat mensen die temperatuur niet konden maken ( om zo koud te worden zou er energie aan het systeem moeten worden toegevoegd om het af te koelen wat betekent dat het systeem warmer wordt dan het absolute nulpunt). Maar in 2013 slaagden Duitse wetenschappers erin om deeltjes naar paradoxale temperaturen onder het absolute nulpunt te duwen.

Volgens Kelvin zou een temperatuurschaal op het absolute nulpunt moeten beginnen maar voor het gemak gebruikte hij de markeringen en intervallen van de algemeen bekende Celsius-schaal als basivoor zijn eigen schaal. Als zodanig bevriest water op de Kelvin-schaal bij 273,15 K (0 °C) en kookt het bij 373,10 K (100 °C).

De eenheid wordt kelvin genoemd, in plaats van graaf, en is gelijk aan een enkele graad op de schaal van Celsius. De Kelvin-schaal wordt voornamelijk door wetenschappers gebruikt.

In 2018 werd de Kelvin-schaal opnieuw gedefinieerd om hem nauwkeuriger te maken. De definitie is nu gekoppeld aan de Boltzmann constante. Deze constante verbindt temperatuur met de kinetische energie in materie.

De nieuwe definitie is: De kelvin, symbool K, is de SI-eenheid van thermodynamische temperatuur, de grootte ervan wordt bepaald door de numerieke waarde van de Boltzmann constante vast te stellen op 1,380649 * 10-23 J*K-1

Welke schaal is het beste?

De beste schaal voor het meten van temperaturen kan variëren afhankelijk van de omstandigheid, namelijk de gemeenschap met wie de informatie wordt gedeeld. Historisch gezien gebruiken Amerikanen de Fahrenheit-schaal voor het dagelijks leven en ook voor het weer en bijvoorbeeld koken dus het is het beste om in de Verenigde Staten de Fahrenheit-schaal te gebruiken. Maar de meeste landen gebruiken Celsius dus is het beter om die schaal te gebruiken om internationaal te communiceren. Uiteindelijk hangt de beste schaal voor incidenteel gebruik af van de conventie en wat de mensen om je heen gebruiken.

Maar welke schaal is het nauwkeurigste?

Precisie is niet echt een kenmerk van een schaal. De nauwkeurigheid van een meting hangt eerder af van de stappen die worden gegeven dor de gebruikte thermometer en de techniek van de persoon die deze gebruikt. Een getal kan met een willekeurige precisie op elke schaal worden gemeten. Maar alleen de Kelvin is op natuurkunde gebaseerd, dit betekent dat het de meest nauwkeurige schaal is.

De Kelvin-schaal die is gebaseerd op de fysische eigenschappen van een gas kan met de juiste apparatuur en een universele constante exact overal in het heelal worden gekalibreerd. Daarom gebruiken wetenschappers vaak de Kelvinschaal bij hun experimenten.

Omrekenformules

  • Celsius naar Fahrenheit: Vermenigvuldig met 9, deel door 5 en tel er daarna 32 bij op
  • Fahrenheit naar Celsius: Min 32, daarna vermenigvuldigen met 5, daarna delen door 9
  • Celsius naar Kelvin: Plus 273
  • Kelvin naar Celsius: Minus 273
  • Fahrenheit naar Kelvin: Minus 32, vermenigvuldig met 5, deel door 9, en tel er 273,15 bij op
  • Kelvin naar Fahrenheit: Minus 273.15, vermenigvuldig met 1.8 en tel er 32 bij op
%d bloggers liken dit: