Temperatuurschaal

Een temperatuurschaal is een methode om de temperatuur in een getal uit te drukken, of anders gezegd, een meetschaal voor temperatuur. Er zijn diverse schalen ontwikkeld, die handig zijn voor verschillende toepassingen. In het SI-stelsel is de kelvin, ook wel absolute temperatuur genoemd, voorgeschreven, welke in de wetenschap wordt gebruikt. In de dagelijkse praktijk gebruikt men in Nederlandstalige landen de schaal van Celsius en drukt men de temperatuur uit in graden Celsius.

Empirische schalen

De in gebruik zijnde temperatuurschalen zijn van oorsprong empirisch. Deze schalen zijn gebaseerd op fysische eigenschappen van materialen die op een eenvoudige manier gemeten kunnen worden, zoals de uitzetting van een vloeistof (meestal kwik of alcohol) bij verhoging van de temperatuur. Er worden twee punten gekozen die een vaste waarde krijgen. Zo is 0 graden Celsius vastgelegd op het vriespunt van water, terwijl het kookpunt bij 100 graden Celsius is gelegd. Daartussen wordt lineair geïnterpoleerd en daarbuiten geëxtrapoleerd.

Temperatuur is een eigenschap van materie, en de empirische schalen werken slechts in een smal gebied. In het dagelijks leven op aarde is dat ruim voldoende. Om zeer lage, of zeer hoge temperaturen te meten, zijn andere technieken nodig. Zo bevriest kwik bij 234,32 K (−39 °C) en is een kwikthermometer onder deze temperatuur niet bruikbaar. Ook zeer hoge temperaturen kunnen niet met een kwikthermometer worden gemeten.

In de afbeelding hieronder worden de schalen met elkaar vergeleken. Hieruit blijkt dat de schalen, met uitzondering van de Delisle, een hogere getalswaarde geven bij een hogere temperatuur. De nulpunten van de schalen zijn aangegeven. Voor de Celsiusschaal, alsmede de Réaumur, Newton en Rømer is dat het vriespunt van water. Voor de Deslise is de nul het kookpunt van water. Fahrenheit koos als nulpunt de temperatuur van een mengsel van ijs, water en ammoniumchloride.

De kelvin en de Rankine beginnen vanaf het absolute nulpunt en kennen dan ook geen negatieve temperatuur. Verder valt op dat de schalen in Celsius en kelvin parallel lopen. Hetzelfde geldt voor de Fahrenheit- en Rankine-schalen. Deze schalen gebruiken in feite dezelfde schaalverdeling voor de definitie van "1 graad".

Vergelijking van temperatuurschalen

										Rankine (°Ra)
										Kelvin (K)
										Fahrenheit (°F)
										Celsius (°C) Réaumur (°Ré) Rømer (°Rø) Newton (°N)
										Delisle (°D)
	het absolute nulpunt	laagst waargenomen temperatuur op Aarde[1]	Fahrenheits ijs/water/zout-mengsel	smeltpunt van ijs (bij standaarddruk)	gemiddelde temperatuur op Aarde (15 °C)	gemiddelde temperatuur menselijk lichaam (37 °C)	hoogst waargenomen temperatuur op Aarde[2]	kookpunt van water (bij standaarddruk)

Naast de veel gebruikte meetmethoden op basis van vloeistoffen, kan temperatuur met empirische middelen ook op andere manieren gemeten worden, bijvoorbeeld met een thermokoppel, een bimetaal of een thermistor.

Verouderde schalen

Naast de hier genoemde bestaan er nog verouderde temperatuurschalen:

• Schaal van Wedgwood, bedoeld voor hoge temperatuur, boven het kookpunt van kwik. De schaal was gebaseerd op het krimpen van klei maar is onbruikbaar gebleken.
• Leidse schaal, gebruikt in de tijd van Heike Kamerlingh Onnes.

Wetenschappelijke temperatuurschaal

Een meer wetenschappelijke aanpak is de bepaling van de temperatuur te baseren op de principes van de thermodynamica. Het absolute nulpunt is de 0 van zo'n schaal. Dat is de temperatuur waarbij de deeltjes van de materie slechts een minimale energie hebben die niet lager kan zijn. Een zo gemeten temperatuur heet absolute temperatuur. Zo'n temperatuurschaal is een ratioschaal.

Het SI-stelsel gebruikt de schaal van Kelvin, een andere is de schaal van Rankine. Er wordt in de wetenschap niet gesproken van bijvoorbeeld '80 graden Kelvin', maar van '80 kelvin', afgekort '80 K'. De kelvin (K) is een SI-basiseenheid.

Het aantal graden Celsius is tegenwoordig exact gedefinieerd als het aantal kelvin min 273,15, dus niet meer op basis van uitzetting van een vloeistof. Een temperatuurverschil in kelvin en in graden Celsius is dus exact gelijk. Een graad Celsius is als eenheid van temperatuurverschil een officiële 'afgeleide SI-eenheid', gelijk aan een kelvin.

Bedenkers van temperatuurschalen

In de geschiedenis zijn er diverse personen geweest die onderzoek deden naar temperatuur, en die een temperatuurschaal hebben ontwikkeld op basis van diverse metingen van materiaaleigenschappen.

persoon / uitvinder	land	jaar	naam van temperatuurschaal
C Anders Celsius	Zweden	1742	Celsius
D Joseph-Nicolas Delisle	Frankrijk	1732	Delisle
F Gabriel Fahrenheit	Polen-Litouwen / Nederland	1724	Fahrenheit
T William Thomson	Verenigd Koninkrijk	1848	Kelvin
N Isaac Newton	Engeland	1700 rond 1700	Newton
Ra William John Macquorn Rankine	Verenigd Koninkrijk	1859	Rankine
Ré René-Antoine Ferchault de Réaumur	Frankrijk	1731	Réaumur
Rø Ole Christensen Rømer	Denemarken	1701	Rømer

Conversietabel

Het omrekenen van temperaturen in de diverse schalen is relatief eenvoudig zoals blijkt uit onderstaande tabel. Elke schaal heeft namelijk twee vaste punten en verondersteld wordt dat de schalen onderling een lineair verband hebben.

Historisch gezien waren de verschillende temperatuurschalen niet compatibel met elkaar, met uitzondering van smalle gebieden van overlap. Als bijvoorbeeld een alcoholthermometer en een kwikthermometer geijkt worden op twee punten, bijvoorbeeld het smeltpunt en het kookpunt van water, betekent dat niet dat het aflezen van een lineaire schaalverdeling tussen deze twee punten tot een gelijke uitkomst leidt. De thermische uitzettingscoëfficienten van deze twee stoffen zijn namelijk niet evenredig aan elkaar over het gehele temperatuursgebied. De conversietabel hieronder geldt dus bij benadering en is eerder vastgesteld op basis van afspraken dan op basis van metingen.

→ van →	Celsius	Delisle	Fahrenheit	Kelvin	Newton	Rankine	Réaumur	Rømer
↓ naar ↓
Celsius ${\displaystyle T_{\text{C}}=}$		${\displaystyle 100-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {2}{3}}}$	${\displaystyle \left(T_{\text{F}}-32\right)\cdot {\tfrac {5}{9}}}$	${\displaystyle T_{\text{K}}-273{,}15}$	${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {100}{33}}}$	${\displaystyle (T_{\text{Ra}}-491{,}67)\cdot {\tfrac {5}{9}}}$	${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {5}{4}}}$	${\displaystyle (T_{\text{Ro}}-7{,}5)\cdot {\tfrac {40}{21}}}$
Delisle ${\displaystyle T_{\text{D}}=}$	${\displaystyle (100-T_{\text{C}})\cdot {\tfrac {3}{2}}}$		${\displaystyle (212-T_{\text{F}})\cdot {\tfrac {5}{6}}}$	${\displaystyle (373{,}15-T_{\text{K}})\cdot {\tfrac {3}{2}}}$	${\displaystyle (33-T_{\text{N}})\cdot {\tfrac {50}{11}}}$	${\displaystyle (671{,}67-T_{\text{Ra}})\cdot {\tfrac {5}{6}}}$	${\displaystyle (80-T_{\text{Re}})\cdot {\tfrac {15}{8}}}$	${\displaystyle (60-T_{\text{Ro}})\cdot {\tfrac {20}{7}}}$
Fahrenheit ${\displaystyle T_{\text{F}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}\cdot {\tfrac {9}{5}}+32}$	${\displaystyle 212-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {6}{5}}}$		${\displaystyle T_{\text{K}}\cdot {\tfrac {9}{5}}-459{,}67}$	${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {60}{11}}+32}$	${\displaystyle T_{\text{Ra}}-459{,}67}$	${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {9}{4}}+32}$	${\displaystyle \left(T_{\text{Ro}}-7{,}5\right)\cdot {\tfrac {24}{7}}+32}$
Kelvin ${\displaystyle T_{\text{K}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}+273{,}15}$	${\displaystyle 373{,}15-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {2}{3}}}$	${\displaystyle \left(T_{\text{F}}+459{,}67\right)\cdot {\tfrac {5}{9}}}$		${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {100}{33}}+273{,}15}$	${\displaystyle T_{\text{Ra}}\cdot {\tfrac {5}{9}}}$	${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {5}{4}}+273{,}15}$	${\displaystyle (T_{\text{Ro}}-7{,}5)\cdot {\tfrac {40}{21}}+273{,}15}$
Newton ${\displaystyle T_{\text{N}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}\cdot {\tfrac {33}{100}}}$	${\displaystyle 33-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {11}{50}}}$	${\displaystyle (T_{\text{F}}-32)\cdot {\tfrac {11}{60}}}$	${\displaystyle (T_{\text{K}}-273{,}15)\cdot {\tfrac {33}{100}}}$		${\displaystyle (T_{\text{Ra}}-491{,}67)\cdot {\tfrac {11}{60}}}$	${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {33}{80}}}$	${\displaystyle (T_{\text{Ro}}-7{,}5)\cdot {\tfrac {22}{35}}}$
Rankine ${\displaystyle T_{\text{Ra}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}\cdot {\tfrac {9}{5}}+491{,}67}$	${\displaystyle 671{,}67-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {6}{5}}}$	${\displaystyle T_{\text{F}}+459{,}67}$	${\displaystyle T_{\text{K}}\cdot {\tfrac {9}{5}}}$	${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {60}{11}}+491{,}67}$		${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {9}{4}}+491{,}67}$	${\displaystyle (T_{\text{Ro}}-7{,}5)\cdot {\tfrac {24}{7}}+491{,}67}$
Réaumur ${\displaystyle T_{\text{Re}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}\cdot {\tfrac {4}{5}}}$	${\displaystyle 80-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {8}{15}}}$	${\displaystyle \left(T_{\text{F}}-32\right)\cdot {\tfrac {4}{9}}}$	${\displaystyle (T_{\text{K}}-273{,}15)\cdot {\tfrac {4}{5}}}$	${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {80}{33}}}$	${\displaystyle (T_{\text{Ra}}-491{,}67)\cdot {\tfrac {4}{9}}}$		${\displaystyle (T_{\text{Ro}}-7{,}5)\cdot {\tfrac {32}{21}}}$
Rømer ${\displaystyle T_{\text{Ro}}=}$	${\displaystyle T_{\text{C}}\cdot {\tfrac {21}{40}}+7{,}5}$	${\displaystyle 60-T_{\text{D}}\cdot {\tfrac {7}{20}}}$	${\displaystyle \left(T_{\text{F}}-32\right)\cdot {\tfrac {7}{24}}+7{,}5}$	${\displaystyle (T_{\text{K}}-273{,}15)\cdot {\tfrac {21}{40}}+7{,}5}$	${\displaystyle T_{\text{N}}\cdot {\tfrac {35}{22}}+7{,}5}$	${\displaystyle (T_{\text{Ra}}-491{,}67)\cdot {\tfrac {7}{24}}+7{,}5}$	${\displaystyle T_{\text{Re}}\cdot {\tfrac {21}{32}}+7{,}5}$

Conversiegrafiek

Onderstaand nomogram geeft de omrekening tussen de diverse temperatuurschalen grafisch weer.