Что такое Цельсий (°C)?
Формальное определение
Градус Цельсия (обозначение: °C) — единица измерения температуры, названная в честь шведского астронома Андерса Цельсия (1701–1744). Шкала Цельсия определяется через два реперных значения: 0 °C соответствует температуре замерзания воды, а 100 °C — температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа).
С 1954 года градус Цельсия формально определяется через шкалу Кельвина: температура в градусах Цельсия равна температуре в кельвинах минус 273,15. Математически: T(°C) = T(K) − 273,15. Таким образом, величина одного градуса Цельсия точно равна одному кельвину, а шкалы отличаются только точкой отсчёта: 0 K = −273,15 °C (абсолютный нуль).
Место в системе СИ
Градус Цельсия не является базовой единицей СИ — базовой единицей температуры является кельвин. Однако градус Цельсия официально допущен к использованию совместно с СИ и является наиболее распространённой единицей температуры в повседневной жизни большинства стран мира.
Важно различать температуру и разность температур. Температура 20 °C — это конкретная точка на шкале, а разность температур 20 °C (или 20 К) — это интервал. При указании разности иногда используют обозначение «К» вместо «°C», чтобы подчеркнуть, что речь идёт об интервале, а не об абсолютном значении.
Этимология
Андерс Цельсий
Градус Цельсия назван в честь шведского астронома, физика и метеоролога Андерса Цельсия (Anders Celsius, 1701–1744). Цельсий родился в Упсале (Швеция) в семье учёных: его дед Магнус Цельсий был математиком и астрономом, а отец Нильс Цельсий — профессором астрономии в Упсальском университете.
Андерс Цельсий получил образование в Упсальском университете и в 1730 году стал профессором астрономии. Он участвовал в экспедиции в Лапландию (1736–1737) для измерения дуги меридиана, которая подтвердила гипотезу Ньютона о сплюснутости Земли у полюсов. В 1742 году он представил свою температурную шкалу Шведской королевской академии наук.
От «стоградусной» к «Цельсию»
Долгое время шкала называлась «стоградусной» — по-французски «centigrade» (от лат. centum — сто, gradus — шаг, ступень). Название «градус Цельсия» было официально утверждено IX Генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году. Переименование было вызвано двумя причинами: во-первых, для увековечения памяти создателя шкалы; во-вторых, для устранения путаницы со словом «сантиград» (centigrade), которое в ряде языков использовалось как название угловой единицы, равной 1/100 прямого угла (0,01 град).
Точное определение
Связь с кельвином
Градус Цельсия определяется через кельвин — базовую единицу термодинамической температуры в СИ. Соотношение: t(°C) = T(K) − 273,15, где T(K) — термодинамическая температура в кельвинах. Величина одного градуса Цельсия точно равна одному кельвину: Δ1 °C = Δ1 K.
Определение через постоянную Больцмана
С 2019 года кельвин определяется через фиксированное значение постоянной Больцмана: k = 1,380649×10⁻²³ Дж/К. Это означает, что один кельвин (и, следовательно, один градус Цельсия) соответствует изменению термодинамической температуры, при котором тепловая энергия kT изменяется на 1,380649×10⁻²³ Дж.
Тройная точка воды
До 2019 года кельвин определялся через тройную точку воды: 273,16 K (0,01 °C) — температуру, при которой лёд, жидкая вода и водяной пар находятся в термодинамическом равновесии при давлении 611,657 Па. Тройная точка была выбрана потому, что она более воспроизводима, чем точки замерзания и кипения, зависящие от давления. После переопределения 2019 года тройная точка воды по-прежнему равна 273,16 K, но это теперь результат измерения с неопределённостью, а не точное значение по определению.
История
Создание шкалы
В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий представил Шведской королевской академии наук свою температурную шкалу в работе «Наблюдения двух постоянных градусов на термометре» (Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer). В его оригинальной шкале 0 градусов соответствовал точке кипения воды, а 100 градусов — точке замерзания. Шкала была инвертирована относительно современной.
Цельсий не был первым, кто предложил стоградусную шкалу. Ещё в 1694 году Карло Ренальдини предложил шкалу от точки замерзания до точки кипения воды. Однако именно Цельсий провёл тщательные эксперименты, показав, что точка кипения воды зависит от атмосферного давления, и ввёл коррекцию для этого фактора.
Переворот шкалы
После смерти Цельсия от туберкулёза в 1744 году (в возрасте 42 лет) его коллега, ботаник Карл Линней, перевернул шкалу, присвоив 0 градусов точке замерзания и 100 — точке кипения. По другим данным, это сделал физик Мортен Штрёмер. Существуют свидетельства, что перевёрнутая шкала использовалась уже при жизни Цельсия — возможно, мастером-изготовителем термометров Даниэлем Экстрёмом.
Распространение и конкуренция шкал
В XVIII–XIX веках стоградусная шкала (centigrade) постепенно вытеснила шкалу Реомюра (0–80 градусов между точками замерзания и кипения воды), которая преобладала во Франции, Германии и России. Шкала Фаренгейта, предложенная в 1724 году, закрепилась в англоязычных странах.
В 1887 году Международный комитет мер и весов принял водородную шкалу температур, в которой стоградусная шкала была привязана к термометру с водородным газом. Это повысило точность и воспроизводимость температурных измерений.
Международная стандартизация
В 1948 году IX ГКМВ переименовала «градус стоградусный» (degree centigrade) в «градус Цельсия» (degree Celsius). В 1954 году X ГКМВ установила, что шкала Кельвина основана на тройной точке воды (273,16 K = 0,01 °C), а градус Цельсия стал производной от кельвина. В 1967 году XIII ГКМВ убрала слово «градус» из названия единицы Кельвина (стало просто «кельвин»), но сохранила «градус» для Цельсия.
В 2019 году, с переопределением кельвина через постоянную Больцмана, определение градуса Цельсия было обновлено. Практические изменения оказались ничтожно малы: тройная точка воды изменилась менее чем на 10⁻⁷ K.
Современное применение
В метеорологии
Градус Цельсия является основной единицей измерения температуры в подавляющем большинстве стран мира. В метеорологии прогнозы погоды во всех странах, кроме США, даются в градусах Цельсия. Температурные рекорды фиксируются в °C: самая высокая температура на Земле — 56,7 °C (Долина Смерти, Калифорния, 10 июля 1913 года), самая низкая — −89,2 °C (станция «Восток», Антарктида, 21 июля 1983 года).
В медицине
В медицине градус Цельсия используется для измерения температуры тела (нормальная — около 36,6 °C, лихорадка — выше 38 °C), температуры хранения лекарств (2–8 °C для вакцин), температуры стерилизации (121 °C в автоклаве). Клинические термометры показывают температуру в °C с точностью до 0,1 градуса.
В промышленности и науке
В промышленности градус Цельсия применяется для контроля технологических процессов: температура плавления стали — 1370–1530 °C, температура спекания керамики — 1200–1400 °C, температура пастеризации молока — 72 °C в течение 15 секунд. Холодильное оборудование работает при −18 °C (морозильник), +2...+6 °C (холодильник).
В науке для термодинамических расчётов предпочтительна шкала Кельвина, однако в экспериментальной физике, химии и биологии градус Цельсия широко используется. США, Багамские Острова, Каймановы Острова, Либерия, Палау и Федеративные Штаты Микронезии — страны, где в быту преимущественно используется шкала Фаренгейта.
Применение в быту
Ориентиры температуры
В повседневной жизни градус Цельсия — самая интуитивно понятная температурная шкала. Основные ориентиры просты: 0 °C — вода замерзает, 100 °C — вода кипит. Комфортная температура в помещении — 20–22 °C, на улице летом — 25–30 °C, зимой в средней полосе — от −5 до −15 °C.
На кухне
В кулинарии температура — ключевой параметр. Духовка для выпечки хлеба разогревается до 200–230 °C, для бисквита — до 170–180 °C, для пиццы — до 250–300 °C. Мясо считается готовым при внутренней температуре 70–75 °C (курица), 63 °C (свинина), 52–57 °C (говядина средней прожарки). Шоколад темперируется при 27–32 °C. Кухонные термометры — необходимый инструмент для точной готовки.
Здоровье и температура тела
Для здоровья температура тела — важнейший индикатор. Нормальная температура — 36,1–37,2 °C (в зависимости от времени суток и индивидуальных особенностей). Температура 37,5–38 °C считается субфебрильной, 38–39 °C — фебрильной, выше 39 °C — пиретической, выше 41 °C — гиперпиретической и опасной для жизни. При температуре тела ниже 35 °C наступает гипотермия.
Одежда по погоде
При выборе одежды по погоде полезно знать: при +25–30 °C достаточно лёгкой одежды, при +15–20 °C нужна куртка или свитер, при +5–10 °C — тёплая куртка, при −5... −15 °C — зимняя одежда, при −20 °C и ниже — особо тёплая одежда и защита открытых участков кожи от обморожения.
В науке и промышленности
Физика и химия
В физике и химии градус Цельсия используется наряду с кельвином. В термодинамике предпочитают кельвин, поскольку многие формулы требуют абсолютной температуры (например, уравнение идеального газа PV = nRT, где T — в кельвинах). Однако в экспериментальных работах результаты часто приводят в °C: температура плавления бензола — 5,5 °C, температура кипения этанола — 78,37 °C, температура перехода олова — 13,2 °C (β → α).
Климатология
В климатологии градус Цельсия — стандартная единица. Среднегодовая температура Земли составляет около 14–15 °C. Парижское соглашение 2015 года ставит цель ограничить глобальное потепление 1,5 °C выше доиндустриального уровня. Повышение на каждые 0,5 °C существенно влияет на экосистемы: при потеплении на 2 °C вместо 1,5 °C количество людей, подверженных экстремальной жаре, увеличивается на 420 миллионов.
Материаловедение
В материаловедении температурные характеристики материалов указываются в °C: температура плавления алюминия — 660 °C, меди — 1085 °C, железа — 1538 °C, вольфрама — 3422 °C (самый тугоплавкий металл). Сверхпроводимость обнаруживается при крайне низких температурах: ртуть переходит в сверхпроводящее состояние при −269 °C (4,15 K), а высокотемпературные сверхпроводники — при −135... −180 °C.
Биология
В биологии температура критична для жизнедеятельности организмов. Ферменты человеческого организма оптимально работают при 36–37 °C. Большинство бактерий размножаются при 20–45 °C (мезофилы), термофильные бактерии — при 45–80 °C, а гипертермофильные архейи выживают при температурах выше 100 °C вблизи гидротермальных источников на дне океана.
Интересные факты
В оригинальной шкале Цельсия (1742) 0° означал точку кипения воды, а 100° — точку замерзания. Шкала была перевёрнута после смерти Цельсия в 1744 году.
Существует температура, при которой шкалы Цельсия и Фаренгейта показывают одинаковое значение: −40 °C = −40 °F. Это единственная точка пересечения двух шкал.
Абсолютный нуль (−273,15 °C = 0 K) — теоретически минимально возможная температура. Он недостижим на практике, но учёным удалось охладить вещество до 38 пикокельвинов выше абсолютного нуля (Бременский университет, 2021).
Температура поверхности Солнца составляет около 5500 °C, а температура ядра — около 15 000 000 °C. Температура космического микроволнового фона — −270,42 °C (2,725 K).
Самая низкая естественная температура, зарегистрированная на Земле, — −89,2 °C на советской антарктической станции «Восток» 21 июля 1983 года. Самая высокая — 56,7 °C в Долине Смерти (США) 10 июля 1913 года.
Температура молнии достигает 30 000 °C — это примерно в 5 раз горячее поверхности Солнца.
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C. Это делает его незаменимым для нитей накаливания в лампах.
Температура тела здорового человека 36,6 °C — лишь приблизительная норма. Исследования показывают, что средняя температура тела снизилась за последние 150 лет примерно на 0,4 °C и сейчас составляет около 36,2 °C.
При −40 °C и ниже необходимо ограничивать время пребывания на открытом воздухе до 10–15 минут. Открытые участки кожи при такой температуре обмораживаются за несколько минут.
Температура Планка — 1,417×10³² °C (около 1,4×10³² K) — это верхний теоретический предел температуры в физике. Она была достигнута в первые мгновения после Большого взрыва.
Региональные особенности
Градус Цельсия используется в подавляющем большинстве стран мира как основная единица температуры в быту. Однако существуют заметные исключения.
США и шкала Фаренгейта
В Соединённых Штатах Америки в повседневной жизни используется шкала Фаренгейта: прогноз погоды, настройки кондиционеров и духовок, температура тела — всё в °F. Температура комнаты 72 °F (22 °C), жара — 100 °F (38 °C), мороз — 32 °F (0 °C). Американские учёные и врачи используют и Цельсий, и Фаренгейт в зависимости от контекста.
Великобритания и Канада
В Великобритании ситуация двойственная: метеорологические службы дают прогноз в °C, но многие британцы, особенно старшего поколения, по-прежнему мыслят в °F. Характерна асимметрия: холод описывают в Цельсиях («−5 °C»), а жару — в Фаренгейтах («It's 90 °F!»), поскольку числа в Фаренгейтах кажутся более впечатляющими.
В научном сообществе во всём мире, включая США, градус Цельсия (и кельвин) являются стандартными единицами. В промышленности ситуация зависит от отрасли: в международной авиации температура указывается в °C (международный стандарт ICAO), в американской металлургии часто используют °F. В Канаде метрическая система официальна с 1970-х годов, но из-за влияния США часть населения по-прежнему использует Фаренгейт.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Фаренгейт (°F) | 0 °C = 32 °F | Конвертировать → |
| Кельвин (K) | 0 °C = 273.15 K | Конвертировать → |