Lämpötila-asteikko

Lämpötila-asteikko on keino muuttaa mitattavan kohteen lämpötila helposti ymmärrettävään ja kirjattavaan numeeriseen muotoon.

Talvella lämpötila putoaa pakkasen puolelle. Celsiusasteikolla negatiiviset lämpötilat ovat veden jäätymispisteen alapuolisia lämpötiloja.

Asteikkojen perustyypit ja määrittelytavat

Lämpötila-asteikkoja on kahta lajia, absoluuttisia ja suhteellisia asteikkoja. Absoluuttisella^[1][2] eli termodynaamisella asteikolla^[3] lämpötila on nolla silloin, kun mitattavassa aineessa ei ole lämpöliikettä. Tätä lämpötilaa kutsutaan absoluuttiseksi nollapisteeksi. Absoluuttiset asteikot ovat teknisesti suhdeasteikkoja, joissa lämpötilan arvoille voidaan suorittaa kerto- ja jakolaskuja yhteen- ja vähennyslaskuista puhumattakaan.^[4] Tilastolliset tunnusluvut, kuten aritmeettinen-, geometrinen- ja harmoninen keskiarvo sekä keskihajonta, varianssi, keskipoikkeama, kvartiilipoikkeama ja variaatiokerroin ovat mielekkäitä lämpötilan käsitteen mielessä.^[5][6]

Suhteelliset asteikot ^[2][7][8] ovat empiirisiä, koska yleensä kaksi sen lämpötiloista on määritetty referenssipisteiden avulla. Referenssipisteet on valittu luontevalla tavalla olemaan sellaisia lämpötiloja, jotka kenenkä tahansa on ollut helppo järjestää. Tällaisia ovat olleet esimerkiksi veden jäätymis- ja kiehumispisteet. Asteikkoja kutsutaan suhteellisiksi asteikoiksi, koska lämpötilat ilmoitetaan suhteessa valittuun nollapisteeseen, joka on toinen referenssipisteistä (Celsius-asteikolla veden jäätymispiste 0 °C). Suhteelliset asteikot ovat teknisesti intervalli- eli välimatka-asteikkoja, jossa lämpötilan arvoille voidaan suorittaa korkeintaa yhteen- ja vähennyslaskuja, muttei kerto- ja jakolaskuja.^[4] Tilastolliset tunnusluvut, kuten aritmeettinen keskiarvo sekä keskihajonta, varianssi, keskivirhe ja kvartiilipoikkeama ovat mielekkäitä lämpötilan käsitteen mielessä.^[5][6]

Absoluuttisessa lämpötila-asteikoissa on absoluuttinen nollapiste valittu asteikon nollapisteeksi. Toista referenssipistettä ei sinänsä tarvita, jos määritellään asteikkoväli samaksi kuin toisessa lämpötila-asteikossa. Näin onkin menetelty kelvin-asteikossa (1 K = 1 °C) ja Rankine-asteikossa (1 °Ra = 1 °F). Kelvin-asteikolle on kuitenkin määritelty referenssipiste, jolla asteikkoväli määritellään tarkasti.^[2]

Lämpötila-asteikko syntyy tavasta jakaa referenssipisteiden väli osiin eli asteisiin. Tässä ei ole käytetty mitään fysikaalista perustetta, vaan jako on usein tehty vain matemaattisin perustein. Yleensä jako on vielä tasajako, jolloin lämpömittarin nesteen lämpölaajenemiskertoimen epälineaarista riippuvuutta lämpötilasta ei ole huomioitu. Esimerkiksi Celsius-asteikossa referenssipisteiden väli jaettiin 100 osaan eli senttigraadeihin. Sen sijaan Rømer-asteikon jakoperuste oli mutkikkaampi, sillä keksijä ei halunut käsitellä negatiivisia lukemia. Tämän vuoksi hän siirsi nollapisteen referenssivälin 1/7-osan verran kylmempään suuntaan ja suoritti nollapisteen ja veden kiehumispisteen välille jaon 60 osaan.^[9][10][11]

Suhteelliset asteikot

Nykyään on laajassa käytössä enää kaksi suhteellista asteikkoa. Ne ovat Celsius- ja Fahrenheit-asteikot. Historiasta tiedetään kuitenkin useita erilaisia lämpötila-asteikkoja, joita ainakin historian tutkijan tulisi osata "lukea". Lämpömittareiden keksimisen aikoihin monet tutkijat ja laboratoriot käyttivät itse valmistamiaan mittareita, joiden asteikot poikkesivat toista monin tavoin. Tässä on lueteltu niistä vain osa.

Newton-asteikko (yksikön tunnus °N) on historiallinen asteikko, jonka britti Isaac Newton esitteli 1700-luvun alkuvuosina. Asteikon referenssipisteet otettiin veden sulamispisteestä ja ihmisen ruumiinlämmöstä. Hän asetti näille arvot 0 °N ja 12 °N.^[12]

Rømer-asteikko (yksikön tunnus °Rø) on historiallinen asteikko, jonka kehitti tanskalainen Ole Rømer 1700-luvun alussa. Asteikon referenssipisteet otettiin veden sulamis- ja kiehumispisteistä. Hän asetti näille arvot 7,5 °Rø ja 60 °Rø.^[9]

Fahrenheit-asteikko (yksikön tunnus °F) on käytössä oleva lämpötila-asteikko, jonka kehittäjä oli hollantilainen Gabriel Fahrenheit vuonna 1724. Asteikon referenssipisteet otettiin jäisestä suolaliuoksesta ja ihmisen ruumiinlämmöstä. Hän valitsi referenssipisteiksi veden jäätymispisteen ja ihmisen ruuminlämmön ja astetti näille arvot 32 °F ja 96 °F.^[9][13]

Réaumur-asteikko (yksikön tunnus °Ré tai °Re) on historiallinen lämpötila-asteikko, jonka esitteli ranskalainen René de Réaumur vuonna 1730. Asteikon referenssipisteet otettiin veden sulamis- ja kiehumispisteistä. Hän asetti näille arvot 0 °Ré ja 80 °Ré.^[13]

Delisle-asteikko (yksikön tunnus °De tai °D) on historiallinen lämpötila-asteikko, jonka esitteli ranskalainen Joseph-Nicolas Delisle vuonna 1732. Asteikon referenssipisteet otettiin veden sulamis- ja kiehumispisteistä. Asteikosta tuli käänteinen, sillä kiehumispiste merkittiin 0 °De ja sulamispiste 150 °De.

Celsius-asteikko (yksikön tunnus °C) on yleisin käytössä oleva lämpötila-asteikko, jonka esitteli aluksi ruotsalainen Anders Celsius laskevana asteikkona vuonna 1742 (Delislen vaikutusta). Siinä kiehumispiste oli 0 °C ja jäätymispiste 100 °C. Myöhemmin asteikon numerointi käännettiin nykyiseksi, jolloin jäätymispisteeksi tuli 0 °C ja kiehumispisteeksi 100 °C.^[10][13]

Leiden-asteikko (yksikön tunnus °L tai ÐL) on historiallinen lämpötila-asteikko, jota käytettiin 1900-luvun alkupuolella matalien, alle -183 °C, lämpötilojen mittaamiseen Hollannissa. Siinä nollapiste oli luonnollisen vedyn kiehumispiste (noin 20,4 K) ja asteikkovälinä käytettiin kelvineitä. Absoluuttinen nollapiste oli noin -20,4 °L.^[14]

Absoluuttiset asteikot

Laajemmin käytetyistä absoluuttisista lämpötila-asteikoista vain kelvin on enää käytössä.

Kelvin-asteikko (yksikön tunnus K) on tieteessä käytettävä lämpötila-asteikko, jonka esitteli William Thomson eli lordi Kelvin vuonna 1848. Asteikkovälinä käytetään 1 K = 1 °C eli samaa, kuin Celsius-asteikossa.^[13]

Rankine-asteikko (yksikön tunnus °R tai °Ra) on historiallinen lämpötila-asteikko, jota William Rankine esitteli vuonna 1859. Asteikkovälinä käytettiin 1 °Ra = 1 °F eli samaa, kuin Fahrenheit-asteikossa. Tätä asteikkoa on käytetty USA:ssa vielä hiljattain kelvin-asteikon sijasta juuri Fahrenheit-asteikosta tutun jakovälinsä takia.^[15][16]

Varhaisia lämpötilamittareita

Taulukkoon on koottu eräitä varhaisia lämpömittareiden tunnettuja asteikkoja 1600−1700-luvuilla. Taulukon mittareille on ominaista huonot dokumentit. Joitakin mittareita on jäljellä museoissa ja osasta tiedetään vain mittaustietoja. Mikäli tiedoista puuttui esimerkiksi kiehumispiste, ei mittarilla voinut mitata sitä, koska mittaputken pituus ei siihen riittänyt. Useimmat mittarit tehtiin meteorologisia mittauksia varten. Taulukko on kopioitu Boltonin tekstistä täydentäen.^[17] Taulukkoon lisätyt mitta-asteikot on merkitty lähteillä erikseen. Jos arvon jäljessä on tähti (*), on sen arvo laskettu taulukon muista arvoista.

Mitta-asteikon nimi	Esittely- vuosi	Aine	Asteikon nollapiste	Veden jäätymis- piste (0 °C)	Ruumiinlämpö (35−37 °C)	Veden kiehumis- piste (100 °C)
Firenze I	1641	ilma	−29 °C *	18,5	73	174
Firenze II	1641	ilma	−9 °C *	13,5	37,5	81,7
Pariisi	1670	ilma	−54 °C *	25	102	239
Dalencé	1688	ilma	15 °C	−10	14 *
Newton	1701	pellavaöljy	0 °C	0	12,5	33−34
Rømer I [9]	1701 [9]	alkoholi [9]	0 °C [9]	7,5 [9]	11−12 *	60 [9]
Amontons	1702	ilma	−240 °C *	51,5	59,2	73
De la Hire	1706	ilma	−20 °C *	23	89	119,4
Fahrenheit I	1706 [9]	alkoholi	9 °C *	−30	90
Rømer II [9]	1708 [9]	alkoholi [9]	0 °C [9]	7,5 [9]	22,5 [9]
Fahrenheit II [9]	1709 [9]	alkoholi [9]	−18 °C [9]	12 [9]	24 [9]	53 *
Fahrenheit III	1714	elohopea	−18 °C	32	96	212
Poleni	1709		−258 °C *	47,3	52,8	62,9
Barusdorf	1713		−14 °C *	4,7 *	13
Lange	1715		−14,5 °C *	8,6 *	24
Kirch	1715		−21 °C *	7	22,7
La Court			−19 °C *	15	45
Crucquins	1717	ilma	−243 °C *	1070	1227	1510
Royal Society		0 °F = 85,9		73,3
Folwer	1727		11 °C *	−35	5 *
Hales	1727		0 °C	0	52	163
Richter	1729		−14,6 °C *	18	47,2
Réaumur	1730	alkoholi	0 °C	0	30,8	80
Edinburgh	1731		−17 °C	8,2	22,2	47
De l'Isle eli Delisle	1733		100 °C	150	96,5	0
Hanow	1739		-18 °C	30	90,1
Du Crest	1740		−11,6 °C *	10,4	22,8	100
Ludolf			−19 °C *	32	89
Celsius	1742	elohopea	100 °C	100	64,3	0
Christin	1743		0 °C	0	35,5	100
Linné [18]	1744 [18]	elohopea [18]	0 °C [18]	0 [18]	35,5 [18]	100 [18]
Miles	1747		0 °C	0	64
Strömer	1750	elohopea [18]	0 °C	0	35,5	100
Bergen			−3,5 °C *	6	60 *	174
Sulzer	1758		0 °C	0	56	156
Brisson	1761	elohopea	0 °C	0	30,9
Sue de Lyon		elohopea	0 °C	0	35,6
De Luc	1772	elohopea	0 °C	0	28,5
Murray			−40 °C *	99	190 *	347

Muunnostaulukko eri lämpötila-asteikkojen välillä

Asteikkojen vertailu käy graafisesti oheisen taulukon avulla. Se ei ole aivan tarkka arvoiltansa.

Katso myös

• Perussuureen lämpötilan määrittelyt ja standardointi.
• Mittaaminen yleensä ja mittaaminen luonnontieteessä (SI-järjestelmä).

Lähteet

• Bolton, Henry Carrington: Evolution of the thermometer 1592–1743, Open Library, 1900

• Uppsalan Yliopisto: Linnaeus’ thermometer, 2008

• Rantala, T.: Lämpöopin luentomoniste (18. Lämpötila, lämpölaajeneminen ja ideaalikaasu) (Arkistoitu – Internet Archive), 1997, Oulun yliopisto

• Tittonen, Ilkka & Tulkki, Jukka: Fysiikka I (luentokalvot) (Arkistoitu – Internet Archive), 2007

• Hyhkö, Heikki: Tilastotieteen johdantokurssi (Arkistoitu – Internet Archive), 2013

Viitteet

1. Your Dictionary Science: Absolute temperature scale (Arkistoitu – Internet Archive)
2. Lämpöopin luentomoniste, s.4–5, 1997
3. Suomen Standardisoimisliitto: SI-opas : 2019 : kansainvälinen suure- ja yksikköjärjestelmä = international system of quantities and units, s. 36. Suomen Standardisoimisliitto SFS ry, 2019. ISBN 978-952-242-411-2 Teoksen verkkoversio.
4. Hyhkö, Heikki: Tilastotieteen johdantokurssi, s. 27–32, 2013
5. Hyhkö, Heikki: Tilastotieteen johdantokurssi, s. 59–60, 2013
6. Hyhkö, Heikki: Tilastotieteen johdantokurssi, s. 73, 2013
7. Your Dictionary Science: Relative temperature scale (Arkistoitu – Internet Archive)
8. The Free Dictionary of Farlex: Relative temperature scale
9. Rundetaarn.dk: Historiikki (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
10. History of astronomy in Uppsala: History of the Celsius temperature scale
11. Tiittonen & Tulkki: Fysiikka I (luentokalvot)
12. Dr. Grigull, Ulrich: Newton's temperature scale and the law of cooling. Wärme- und Stoffübertragung/Heat and Mass Transfer, 1984, 18. vsk, nro 4, s. 195–199. doi:10.1007/BF01007129 Artikkelin verkkoversio. (pdf) Viitattu 1.3.2013. (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
13. Brannan: Temperature Scales & Fixed Points (Arkistoitu – Internet Archive)
14. en.Vionto: Leiden scale:all facts at a glance (Arkistoitu – Internet Archive)
15. NIST Guide to the SI – B.8. Factors for Units Listed Alphabetically: degree Rankine
16. Infoplease: Rankine temperature scale
17. Bolton, Henry: Evolution of the thermometer, 1900, s. 88–89
18. Uppsalan Yliopisto: Linnaeus’ thermometer, 2008

Aiheesta muualla

• Sigurssen, Arthur: History of the Thermometer by Arthur Sigurssen (Arkistoitu – Internet Archive), Newsfinder, 2003
• CSGNetwork: Temperature Conversion – Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, and Rankine
• The Straight Dope: Why do we have so many temperature scales?, 2004
• MIT: Lämpötila-asteikon määrittäminen^{[vanhentunut linkki]}
• Tittonen, Ilkka & Tulkki, Jukka: Fysiikka III (luentokalvot) (Arkistoitu – Internet Archive), 2007
• Napari, Ismo & Vehkamäki, Hanna: Termofysiikan perusteet^{[vanhentunut linkki]}, 2011
• Merikoski, Jukka: Fysiikka III – Termodynamiikka ja Optiikka, Jyväskylän yliopisto, 2009