Почему температуру мерят в градусах Цельсия

Температуру мерят в градусах Цельсия потому, что эту шкалу в 1742 году предложил шведский астроном Андерс Цельсий, а два опорных значения он взял от самого доступного и воспроизводимого вещества на планете - воды: точки её замерзания и кипения при нормальном атмосферном давлении. Шкала оказалась удобной и логичной, и когда в мире распространялась метрическая система, десятичная шкала Цельсия распространилась вместе с ней, вытеснив на большей части света конкурирующие способы измерения температуры.

Кто придумал шкалу и когда

Андерс Цельсий заведовал обсерваторией в шведском городе Уппсала и занимался в основном астрономией, но в 1742 году представил Шведской королевской академии наук предложение по новой температурной шкале со ста делениями между двумя фиксированными точками - замерзанием и кипением воды. Идея разделить интервал на сто равных частей была удобна тем, что вписывалась в десятичную логику, которая уже тогда обсуждалась учёными как более рациональная основа для измерений, чем произвольные деления.

Забавная деталь - шкала сначала была перевёрнутой

Мало кто знает, что в оригинальном варианте Цельсия ноль градусов соответствовал точке кипения воды, а сто градусов - точке замерзания, то есть шкала была перевёрнута относительно привычной сегодня. Кто именно предложил развернуть её - сам Цельсий незадолго до смерти, ботаник Карл Линней, тоже работавший в Уппсале, или мастер, изготавливавший термометры для университетской лаборатории Даниэль Экстрём, - историки до конца не установили. Так или иначе, уже вскоре после смерти Цельсия в 1744 году шкала закрепилась в привычном нам виде: ноль градусов - замерзание воды, сто градусов - кипение.

Почему выбрали именно воду как ориентир

Вода - вещество, доступное практически везде и в любую эпоху, а её точки замерзания и кипения при стандартном атмосферном давлении воспроизводятся с высокой точностью независимо от того, кто и где проводит измерение. Это делало шкалу практичной для науки того времени: любой исследователь в любой стране мог откалибровать свой термометр по одним и тем же двум ориентирам, не полагаясь на чужой эталонный прибор.

Какие шкалы конкурировали

К моменту появления шкалы Цельсия в ходу уже была шкала немецкого физика Даниэля Габриеля Фаренгейта, предложенная около 1724 года. За нижнюю точку отсчёта Фаренгейт взял температуру смеси льда, воды и нашатыря или поваренной соли - самую низкую температуру, которую он мог стабильно воспроизвести в своей лаборатории, а верхние деления калибровал ориентировочно по температуре человеческого тела. Существовали и другие предложения, например шкала французского учёного Рене Реомюра с делением на восемьдесят частей между замерзанием и кипением воды - она была популярна в некоторых странах Европы, но постепенно вышла из употребления.

Как жидкостный термометр показывает температуру - по шагам

Механизм классического жидкостного термометра, для которого и была придумана шкала Цельсия, устроен как последовательность из нескольких элементов, и понять его проще именно по шагам. Внутри запаянной стеклянной трубки находится небольшой резервуар с жидкостью - обычно подкрашенным спиртом или, в старых моделях, ртутью, - которая заметно расширяется при нагреве и сжимается при охлаждении. Когда температура вокруг резервуара меняется, объём жидкости меняется вместе с ней, и жидкость поднимается или опускается по узкому каналу трубки: чем уже канал, тем заметнее сдвиг уровня при одном и том же изменении объёма, поэтому канал делают именно узким. Полученное перемещение жидкости остаётся сопоставить со шкалой - и вот тут в дело вступает то, что придумал Цельсий: два физически воспроизводимых опорных значения, замерзание и кипение воды, между которыми интервал разбит на равные деления.

Если убрать последний шаг - привязку к двум фиксированным точкам - и просто нанести деления на трубку на глаз, прибор потеряет смысл как средство измерения: показания одного термометра станет невозможно сравнить с показаниями другого. Именно калибровка по двум надёжным ориентирам, а не сам факт расширения жидкости при нагреве, и превращает трубку со спиртом в измерительный прибор, а не просто в индикатор “теплее - холоднее”.

Как шкала Цельсия объединилась с метрической системой

Настоящее распространение шкала Цельсия получила не сама по себе, а вместе с общим движением к метрической системе мер, начавшимся во Франции в конце XVIII века: подробнее об этом рассказано в статье о том, почему метр именно такой длины. Десятичная логика шкалы Цельсия хорошо вписывалась в общую идею единой рациональной системы измерений, и страны, переходившие на метрическую систему, как правило, переходили и на градусы Цельсия в быту, науке и промышленности.

Почему в Америке до сих пор Фаренгейт

Соединённые Штаты - одна из немногих стран, где в повседневной жизни по-прежнему пользуются шкалой Фаренгейта, а не Цельсия, по той же причине, по которой там сохранились футы и фунты вместо метра и килограмма: причины этого разобраны в статье о том, почему в Америке мерят в футах и фунтах.

Шкала Кельвина - для науки, не для быта

Помимо шкалы Цельсия в науке используют шкалу Кельвина, предложенную британским физиком Уильямом Томсоном, впоследствии лордом Кельвином, в середине XIX века. Она отсчитывается не от точки замерзания воды, а от абсолютного нуля - теоретически самой низкой возможной температуры, при которой прекращается тепловое движение частиц. Шаг шкалы Кельвина совпадает с шагом шкалы Цельсия, поэтому одно градусное деление в обеих шкалах имеет одинаковый размер, но используют её в основном физики и инженеры, а не в бытовых прогнозах погоды.

Похожие шкалы, устроенные по тому же принципу

Идея откалибровать шкалу по двум легко воспроизводимым физическим точкам, а не по произвольному ощущению или единичному эталонному предмету, встречается в измерениях далеко не только температуры. Похожим образом устроена, например, история метра: изначально единицу длины пытались связать с размером Земли, а сегодня определяют через физическую константу - скорость света, - именно потому, что константа воспроизводима где угодно, а не хранится в виде одного эталонного бруска в одном месте, который может быть повреждён или недоступен. Стандартное атмосферное давление - ещё один похожий пример: это тоже не случайно выбранное число, а конкретная, воспроизводимая физическая величина, к которой на практике привязывают многие измерения, включая ту же точку кипения воды из шкалы Цельсия, - недаром при разном давлении, например высоко в горах, вода закипает при заметно иной температуре. Общий принцип один: чем прочнее единица измерения привязана к физическому явлению, которое можно воспроизвести независимо в разных местах, тем меньше в измерении остаётся места для ошибки и разночтений.

Вопрос-ответ

Почему на разной высоте вода закипает при разной температуре? Точка кипения воды зависит от атмосферного давления, а не только от самой воды: чем ниже давление, например высоко в горах, тем при более низкой температуре вода закипает, поэтому опорная точка “сто градусов” в шкале Цельсия строго верна только при стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

Пользуются ли шкалой Цельсия в науке наравне со шкалой Кельвина? Да, они используются параллельно: шкала Кельвина удобна там, где важна близость к абсолютному нулю, а шкала Цельсия остаётся привычнее в описании обычных, не экстремальных температур, включая большинство измерений в химии и биологии.

Можно ли пересчитать градусы Фаренгейта в градусы Цельсия точной формулой? Да, между шкалами существует строгое линейное соответствие, поскольку обе они калиброваны по фиксированным физическим точкам, просто с разным шагом деления и разным положением нуля.

Почему шаг шкалы Кельвина совпадает с шагом Цельсия, а не Фаренгейта? Шкалу Кельвина создавали, отталкиваясь от уже существовавшей десятичной логики шкалы Цельсия и того же интервала между замерзанием и кипением воды, разбитого на сто частей, - только с другой точкой отсчёта нуля.