Celsius, Fahrenheit ve Kelvin Sıcaklık Ölçekleri

Sıcaklık ve sıcaklık ölçeği

Sıcaklık, bir maddedeki taneciklerin rastgele hareketleriyle ilişkili fiziksel bir büyüklüktür. Taneciklerin ortalama hareket enerjisi arttıkça sıcaklık da artar. Sıcaklık, termometreyle ölçülür; ancak termometrede okunan sayının anlamlı olabilmesi için bir ölçüm ölçeğine ihtiyaç vardır.

Sıcaklık ölçeği, belirli ve yeniden oluşturulabilir referans noktalarına dayanarak sıcaklıkları sayılarla karşılaştırır. Su için standart atmosfer basıncındaki donma ve kaynama noktaları bu referanslara örnek olarak kullanılabilir. Celsius ve Fahrenheit ölçekleri bu tür referanslara dayanan göreli ölçeklerdir. Aynı sıcaklık, ölçeğin referans noktaları ve aralık büyüklüğü farklı olduğu için bu iki ölçekte farklı sayılarla gösterilir. Kelvin ise sıcaklıkları mutlak bir başlangıç noktasına göre ifade eden ölçektir.

Celsius ölçeği

Celsius ölçeğinde, standart atmosfer basıncında suyun donma noktası 0 °C, kaynama noktası ise 100 °C kabul edilir. Bu iki referans arasındaki aralık 100 eşit bölmeye ayrılır ve her bölme 1 derece Celsius olarak adlandırılır. Günlük hava durumu, yemek pişirme, laboratuvar ölçümleri ve birçok eğitim uygulamasında Celsius ölçeği kullanılır.

Celsius ölçeğinde 0 °C’nin altındaki sıcaklıklar negatif, üstündeki sıcaklıklar pozitif değerlerle gösterilir. Ölçeğin iki referans noktası arasındaki 100 derecelik aralığı, Fahrenheit ölçeğindeki 180 derecelik aralığa karşılık gelir. Bu nedenle 1 °C’lik sıcaklık farkı, 1 °F’lik sıcaklık farkından daha büyüktür. Örneğin 20 °C, suyun donma noktasının 20 derece üzerindeki bir sıcaklığı belirtir; aynı sıcaklık Fahrenheit ve Kelvin ölçeklerinde başka sayılarla ifade edilir.

Fahrenheit ölçeği

Fahrenheit ölçeğinde, standart atmosfer basıncında suyun donma noktası 32 °F, kaynama noktası ise 212 °F olarak alınır. Böylece suyun donma ve kaynama noktaları arasındaki fark 180 Fahrenheit derecesidir. Fahrenheit ölçeği özellikle Amerika Birleşik Devletleri’nde günlük sıcaklık bildirimlerinde yaygın olarak kullanılır.

Celsius ve Fahrenheit arasındaki fark yalnızca başlangıç noktalarından kaynaklanmaz; bir derece aralığının büyüklüğü de farklıdır. 100 Celsius derecelik aralık 180 Fahrenheit derecesine karşılık geldiği için 1 °C’lik sıcaklık farkı 1,8 °F’lik sıcaklık farkına eşittir. Bu bir fark ilişkisidir; 1 °C’lik sıcaklık 1,8 °F değil, 9/5 × 1 + 32 = 33,8 °F’dir. Fakat doğrudan sıcaklık dönüşümünde başlangıç noktalarının farkı da hesaba katılmalıdır. Örneğin suyun donma noktası Celsius’ta 0 iken Fahrenheit’ta 32’dir; bu yüzden dönüşüm formülünde yalnızca çarpma değil, uygun bir toplama veya çıkarma işlemi de bulunur.

Kelvin ölçeği

Kelvin ölçeği, bilimsel çalışmalarda kullanılan mutlak sıcaklık ölçeğidir. Bu ölçekte en düşük mümkün sıcaklık 0 K olarak tanımlanır ve bu değer mutlak sıfırdır; Celsius ölçeğinde −273,15 °C’ye karşılık gelir. Bu yüzden Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklık değeri yoktur. Kelvin ölçeğinin birimi kelvindir; sembolü K’dir ve birimin önüne derece işareti konulmaz. Bu nedenle 273,15 K doğru yazımken 273,15 °K yazımı kullanılmaz.

Kelvin ile Celsius arasındaki aralıkların büyüklüğü aynıdır: 1 K’lik sıcaklık farkı, 1 °C’lik sıcaklık farkına eşittir. Ancak iki ölçeğin sıfır noktaları farklıdır. Suyun donma noktası 273,15 K, kaynama noktası 373,15 K olduğundan Celsius değerine 273,15 eklenerek Kelvin değeri bulunur. Kelvin ölçeğinin mutlak olması, özellikle fizik hesaplamalarında önemlidir; bazı fiziksel büyüklükler mutlak sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir.

Sıcaklık ölçekleri arasında dönüşüm formülleri

Bir sıcaklığı başka bir ölçeğe dönüştürürken iki unsur dikkate alınır: Ölçeklerin bir derece aralığının büyüklüğü ve sıfır noktaları arasındaki fark. Celsius ile Fahrenheit arasında hem ölçek aralığı hem de başlangıç noktası farklıdır. Celsius ile Kelvin arasında ise derece aralıklarının büyüklüğü aynıdır; yalnızca sıfır noktaları farklıdır.

Kullanılan temel formüller şunlardır: Celsius’tan Fahrenheit’a: F = (9/5)C + 32 Fahrenheit’tan Celsius’a: C = (5/9)(F - 32) Celsius’tan Kelvin’e: K = C + 273,15 Kelvin’den Celsius’a: C = K - 273,15 Fahrenheit’tan Kelvin’e: K = (5/9)(F - 32) + 273,15 Kelvin’den Fahrenheit’a: F = (9/5)(K - 273,15) + 32

Örneğin 25 °C’yi Fahrenheit’a çevirelim. Önce Celsius değeri 9/5 ile çarpılır, ardından 32 eklenir: F = (9/5) × 25 + 32 = 45 + 32 = 77 °F. Aynı 25 °C değerini Kelvin’e çevirmek için 273,15 eklenir: K = 25 + 273,15 = 298,15 K. Böylece 25 °C, 77 °F ve 298,15 K ile aynı sıcaklığı ifade eder.

Ters yönde dönüşümde işlemler sırayla geri alınır. Örneğin 68 °F’nin Celsius karşılığı C = (5/9)(68 - 32) = (5/9) × 36 = 20 °C olur. Ardından bu değer Kelvin’e çevrilirse K = 20 + 273,15 = 293,15 K bulunur. Sonuçları kontrol ederken, aynı sıcaklığın üç ölçekte de aynı fiziksel durumu ifade ettiğini; yalnızca sayısal gösterimin değiştiğini unutmamak gerekir. Bütün bu formüller tek bir orantıdan türetilir: C/100 = (F - 32)/180 = (K - 273,15)/100. Aynı orantı, suyun donma ve kaynama noktaları bilinen herhangi bir X termometresine de uygulanır: (X - Xd)/(Xk - Xd) = C/100; burada Xd suyun donma, Xk kaynama noktasının X ölçeğindeki değeridir. Örneğin suyun 20 °X’te donup 120 °X’te kaynadığı bir termometrede 30 °C, (X - 20)/100 = 30/100 eşitliğinden X = 50 °X olarak bulunur.