Градус Цельсия

Гра́дус Це́льсия (обозначение: °C) — метрологическая система измерения термодинамических состояний вещества, получившая статус производной в рамках Международной системы единиц. Данная шкала характеризуется стоградусным интервалом между основными фазовыми переходами воды и применяется практически во всех государствах мира, за исключением ограниченного числа юрисдикций, сохраняющих альтернативные температурные стандарты.

Метрологические основы

Положение в системе СИ и нормативное регулирование

Современная классификация температурной единицы Цельсия определяет её принадлежность к категории производных единиц Международной системы. Символическое обозначение реализуется посредством комбинации знака градуса и латинской буквы C (°C), при этом в цифровых системах предусмотрен специальный Unicode-символ U+2103 ℃. ГОСТ 8.417-2002 предписывает обязательное размещение пробела между числовым значением и единицей измерения, что отличает температурные единицы от угловых обозначений, где пробел отсутствует.

Математическое определение и связь с абсолютной температурой

Фундаментальное соотношение между температурой Цельсия и термодинамической температурой Кельвина выражается формулой:

t = T — T₀,

где T₀ составляет 273,15 К.

Данное определение устанавливает прямую пропорциональность между градусами, обеспечивая единство размера температурного интервала в обеих шкалах.

Математическая связь проявляется в формуле:

tC = tK — 273,15,

где константа 273,15 представляет величину сдвига между абсолютной нулевой точкой и точкой замерзания воды при стандартных условиях.

Глобальное распространение и региональные особенности применения

Международное распространение шкалы Цельсия охватывает подавляющее большинство государств планеты, исключая Соединённые Штаты Америки, где сохраняется преимущественное использование шкалы Фаренгейта. К числу территорий, применяющих альтернативные температурные стандарты, относятся также Багамские Острова, Белиз, Каймановы Острова и Либерия. Данная географическая специфика отражает исторические особенности метрологического развития и культурные традиции различных регионов.

Биметаллический стрелочный термометр

История

Предпосылки создания стоградусной шкалы

Концептуальные основы современной температурной шкалы были заложены в середине XVII столетия, когда голландский физик Христиан Гюйгенс совместно с английским коллегой Робертом Гуком в 1665 году предложили использовать фазовые переходы воды в качестве реперных точек. Практическая реализация данного подхода была осуществлена шведским астрономом Андерсом Цельсием, который в 1742 году разработал температурную шкалу, первоначально характеризующуюся обращённой градацией: точка кипения воды соответствовала нулю, а точка замерзания — ста градусам.

Трансформация шкалы

Инверсия первоначальной шкалы Цельсия была реализована французским физиком Жан-Пьером Кристином в 1743 году, который установил современную ориентацию: ноль градусов для точки замерзания воды и сто градусов для точки кипения. Альтернативные исторические свидетельства указывают на возможное участие в данной трансформации шведского ботаника Карла Линнея в 1745 году, а также астронома Мортена Штремера. Линней, живший в период 1707-1778 годов, использовал модифицированную шкалу в собственных научных исследованиях и способствовал её распространению в академических кругах.

Официальное признание

Формальное закрепление наименования «градус Цельсия» произошло на XII Генеральной конференции по мерам и весам в 1976 году. Данное решение завершило длительный период использования термина «centigrade» (стоградусная), происходящего от слов centum (лат. сто) и gradus (лат. ступень). Йёнс Якоб Берцелиус внёс существенный вклад в популяризацию наименования «Цельсиева шкала», закрепив его в научной литературе посредством своего авторитетного труда по химии.

Лингвистические аспекты

Переход от «centigrade» к «Celsius»

Многовековое использование термина «centigrade» в научном сообществе создавало лингвистические проблемы в международной коммуникации. Во французском языке слово «centigrade» одновременно обозначало как температурную единицу, так и сотую долю градиана в угловых измерениях, что приводило к терминологической двусмысленности. Попытки решения проблемы через введение альтернативного названия «centesimal degree» оказались неэффективными, поскольку в романских языках данный термин также ассоциировался с геометрическими измерениями. Окончательное решение было найдено в персонификации единицы через имя её создателя, что соответствовало уже сложившейся практике наименования физических единиц.

Национальные особенности внедрения терминологии

Процесс метрикации в различных странах характеризовался существенными временными различиями. Австралия осуществила полный переход на шкалу Цельсия в метеорологических сводках с 1 сентября 1972 года. Великобритания демонстрировала более консервативный подход: британская вещательная корпорация BBC перешла от термина «centigrade» к «Celsius» только в феврале 1985 года, отражая постепенную эволюцию терминологических предпочтений в англоязычных странах.

Физические константы и реперные точки

Фундаментальные температурные значения

Система критических температур включает абсолютный ноль при 0 K, эквивалентный −273,15 °C, и ряд характерных физико-химических переходов. Температура кипения жидкого азота составляет −195,8 °C, сублимация сухого льда происходит при −78 °C, а уникальная точка пересечения шкал Цельсия и Фаренгейта соответствует −40 градусам в обеих системах. Данные реперные значения играют ключевую роль в калибровке измерительных приборов и научных исследованиях.

Прецизионные измерения водных переходов

Современные метрологические стандарты устанавливают прецизионные значения для фазовых переходов воды. Температура плавления очищенной воды определена как 0.000089(10) °C, что отражает высокую точность современных измерительных методов. Тройная точка воды фиксируется при 273,16 K (0,01 °C), а температура плавления льда при стандартных условиях составляет 273,1499 K, что эквивалентно −0,0001 °C.

Биологические и технические реперы

Нормальная температура человеческого организма представляет важный биологический репер, составляющий приблизительно 36,6 °C (310 K). Температура кипения воды при атмосферном давлении в одну атмосферу достигает 99,9839 °C (373,1339 K), что отличается от традиционного округлённого значения в 100 °C вследствие прецизионных современных определений и учёта реальных физических условий.

Термометр

Метрологические аспекты и стандартизация

Определение через фундаментальные константы

Стандартное атмосферное давление определяется как величина, равная точно 1,013,250 дин на квадратный сантиметр, что соответствует 101,325 кПа в системе СИ. Современная редакция определений температурных единиц, принятая в 2019 году, основывается на фундаментальной постоянной Больцмана, полностью исключая зависимость от специфических свойств воды. Изотопный состав воды стандартизирован согласно спецификации VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water).

Прецизионность современных измерений

Типографские правила оформления единиц температуры регламентируются международными стандартами, предписывающими обязательное разделение числового значения и символа единицы пробелом. Разность между тройной точкой и точкой плавления воды составляет менее 0,01 °C. Температура кипения воды VSMOW при стандартных условиях равна 99,9839 °C, а калибровка по шкале ITS-90 даёт значение 99,974 °C.

Практические аспекты применения

Температурные интервалы и математические операции

Регламентация использования температурных интервалов была установлена резолюциями 9-й и 13-й Генеральных конференций по мерам и весам, определившими правила обозначения температурных разностей и интервалов. Шкала Цельсия функционирует как интервальная, но не пропорциональная система измерения, что означает корректность операций сложения и вычитания, но некорректность отношений. В научной практике обычно применяется сосуществование единиц Цельсия и Кельвина, с указанием неопределённости в форме ±3 K или ±70 μK.

Конверсии между температурными шкалами

Стандарт Unicode предоставляет специальный символ для обозначения градуса Цельсия, однако рекомендует использование комбинации символа градуса U+00B0 и латинской буквы C вместо композитного символа U+2103. Математические формулы конверсии обеспечивают точное преобразование между различными температурными шкалами, учитывая специфические константы и коэффициенты для каждой системы измерения.

Влияние атмосферных условий на измерения

Барометрическое давление оказывает существенное влияние на точность температурных измерений, при этом разница между современным и историческим определениями составляет 16,1 мК (миллиКельвина). Изменение высоты над уровнем моря приводит к сдвигу точки кипения воды, что подчёркивает чувствительность температурных измерений к внешним условиям. Линейность шкалы Цельсия сохраняется во всём диапазоне измерений, однако водяные термометры демонстрируют аномальное поведение ниже 4 °C вследствие особенностей теплового расширения воды.

Кухонный термометр

Технические особенности и ограничения

Инструментальные аспекты термометрии

Историческое развитие термометрических инструментов тесно связано с деятельностью выдающихся учёных, включая Карла Линнея, который использовал специально изготовленные термометры в ботанических исследованиях. Даниэль Экстрём, ведущий изготовитель научных инструментов Швеции того периода, создавал прецизионные термометры для академических целей. Документ «Hortus Upsaliensis», датированный 16 декабря 1745 года, содержит одни из первых зарегистрированных температурных измерений по современной шкале Цельсия, где Линней описывал температурный режим оранжерей в диапазоне 15-30 градусов и передавал данные знания своему студенту Самуэлю Науклеру.

Литература

• Прохоров А. М. Физическая энциклопедия: в 5 т. / А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 757.
• Forthofer R. N. Biostatistics: A Guide to Design, Analysis, and Discovery / R. N. Forthofer, E. S. Lee, M. Hernandez. — New York: Academic Press, 2007. — С. 502.
• Quinn T. J. Temperature Scales from the early days of thermometry to the 21st century / T. J. Quinn. — New York: Academic Press, 1983. — С. 416.