Temperatuur is een fundamentele natuurkundige grootheid die gerelateerd is aan de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes van een materie en uitdrukt hoe 'warm' of 'koud' die materie is. In het Internationale Eenhedenstelsel is de basiseenheid van temperatuur de kelvin.
In het dagelijks leven zijn de Celsius- en Fahrenheitschaal het meest gebruikt; in wetenschappelijk werk wordt de kelvin gebruikt, in sommige technische berekeningen de Rankine, en in historische teksten kan de Reaumur voorkomen. In tegenstelling tot veel andere natuurkundige grootheden vereist temperatuuromrekening tussen eenheden niet alleen vermenigvuldiging, maar ook optellen of aftrekken.
- Natuurkundige grootheid
- Temperatuur (thermodynamische temperatuur)
- Dimensiesymbool
- [Θ]
- SI-basiseenheid
- Kelvin
- Symbool SI-eenheid
- K
- Absolute nulpunt
- 0 K = -273,15 °C = -459,67 °F
Wat is temperatuur?
Temperatuur is een grootheid die rechtstreeks gerelateerd is aan de gemiddelde kinetische (beweging)energie van de atomen en moleculen waaruit een materie bestaat. Hoe sneller de deeltjes bewegen, hoe 'warmer' de materie wordt beschouwd.
Temperatuur is een van de zeven basisgrootheden van het Internationale Eenhedenstelsel en wordt, als thermodynamische temperatuur, weergegeven met het symbool Θ (theta). In tegenstelling tot veel andere grootheden (zoals lengte of massa) is het geen direct optelbare grootheid -- twee lichamen met elkaar in contact brengen telt hun temperaturen niet op, maar brengt ze naar een evenwicht.
De SI-eenheid van temperatuur: de kelvin
De kelvin is de SI-basiseenheid voor temperatuur en wordt weergegeven met het symbool K (zonder gradenteken, gewoon geschreven als 'K'). De Kelvinschaal neemt het absolute nulpunt (de theoretisch laagst mogelijke temperatuur) als uitgangspunt (0 K).
Sinds de SI-herziening van 2019 wordt de kelvin niet meer gedefinieerd op basis van het tripelpunt van water, maar op basis van de vastgestelde numerieke waarde van de constante van Boltzmann (k). Dit zorgt ervoor dat de temperatuureenheid gebaseerd is op een universele constante en niet op een fysieke referentiestof.
Waarom is temperatuuromrekening geen eenvoudige vermenigvuldiging?
Bij grootheden zoals lengte of massa vindt eenheidsomrekening alleen plaats met een vermenigvuldigingsfactor (bijvoorbeeld meter-centimeter). Bij temperatuur vereist de omrekening, omdat de Celsius-, Fahrenheit- en Kelvinschaal verschillende 'nulpunten' hebben, zowel vermenigvuldiging als optellen of aftrekken.
Om bijvoorbeeld van Celsius naar Fahrenheit te gaan, wordt de waarde eerst met 9/5 vermenigvuldigd en wordt er dan 32 bij opgeteld: °F = (°C × 9/5) + 32. Daarom is temperatuur, wiskundig gezien, de enige veelvoorkomende natuurkundige grootheid met een 'affiene' (lineaire, maar niet door de oorsprong gaande) omrekenrelatie.
De Celsiusschaal
De Celsiusschaal werd in 1742 ontwikkeld door de Zweedse astronoom Anders Celsius en definieert het vriespunt van water bij 0 °C en het kookpunt (bij een druk van een atmosfeer) bij 100 °C. Het is een praktisch referentiesysteem dat het begrip van de schaal in het dagelijks leven vergemakkelijkt.
Celsius is wereldwijd de meest gebruikte temperatuurschaal, zowel in wetenschappelijk werk als in dagelijkse weerinformatie in de meeste landen, waaronder Nederland; een klein aantal landen, zoals de Verenigde Staten, geeft in het dagelijks gebruik nog steeds de voorkeur aan Fahrenheit.
De Fahrenheitschaal
De Fahrenheitschaal werd in 1724 ontwikkeld door de Duitse natuurkundige Daniel Gabriel Fahrenheit. Op deze schaal ligt het vriespunt van water bij 32 °F en het kookpunt bij 212 °F -- een exact interval van 180 graden tussen vriezen en koken.
Fahrenheit wordt tegenwoordig nog gebruikt voor dagelijkse temperatuurmetingen in een klein aantal landen, voornamelijk de Verenigde Staten; in wetenschappelijk werk wereldwijd heeft het grotendeels plaatsgemaakt voor Celsius en Kelvin.
Rankine en Reaumur: minder bekende schalen
Rankine is een absolute temperatuurschaal die eenheden van dezelfde grootte als graden Fahrenheit gebruikt, maar het absolute nulpunt als 0 °R neemt; het vriespunt van water ligt bij 491,67 °R. Het wordt vooral verkozen boven Kelvin in sommige thermodynamische technische berekeningen in de Verenigde Staten.
De Reaumurschaal werd in de 18e eeuw ontwikkeld door de Franse wetenschapper Rene Reaumur; deze legt het vriespunt van water vast op 0 °Ré en het kookpunt op 80 °Ré. Hoewel het tegenwoordig praktisch niet meer wordt gebruikt, is het nog terug te vinden als historische referentie in sommige Europese landen (vooral in bepaalde traditionele Russische recepten).
Wat betekent het absolute nulpunt?
Het absolute nulpunt (0 kelvin, -273,15 °C, -459,67 °F) is de theoretische temperatuur waarbij deeltjes, in klassieke zin, de laagst mogelijke kinetische energie bezitten. Volgens de kwantummechanica staan deeltjes zelfs bij het absolute nulpunt niet volledig stil (nulpuntsenergie), maar in klassieke zin kan er geen lagere temperatuur worden gedefinieerd.
In het laboratorium zijn temperaturen bereikt die extreem dicht bij het absolute nulpunt liggen (in de orde van microkelvin, zelfs nanokelvin), maar volgens de derde hoofdwet van de thermodynamica is het onmogelijk om het absolute nulpunt in een eindig aantal stappen exact te bereiken.
Hoe wordt temperatuur gemeten?
Voor het meten van temperatuur worden verschillende technologieen gebruikt: kwik- of alcoholthermometers, digitale thermometers, thermokoppels, weerstandsthermometers (RTD) en infraroodthermometers (contactloos). Elk is geschikt voor een ander temperatuurbereik en precisieniveau.
Thermokoppels worden veel gebruikt in de industrie omdat ze kunnen functioneren over een zeer breed temperatuurbereik (soms van -200 °C tot +2000 °C); ze berekenen de temperatuur op basis van het spanningsverschil dat ontstaat bij de verbinding van twee verschillende metalen.
Vergelijkingstabel van eenheden
| Eenheid | Symbool | SI-referentie | Systeem | Veelvoorkomend gebruik |
|---|---|---|---|---|
| Kelvin | K | Basiseenheid | SI | Wetenschappelijke en thermodynamische berekeningen |
| Celsius | °C | K = °C + 273,15 | Metriek (dagelijks gebruik) | Weerkunde, dagelijks leven, wetenschap |
| Fahrenheit | °F | °F = (°C × 9/5) + 32 | Verenigde Staten | Dagelijkse weerkunde in de Verenigde Staten |
| Rankine | °R | °R = (°C + 273,15) × 9/5 | Verenigde Staten (techniek) | Thermodynamische technische berekeningen |
| Reaumur | °Ré | °Ré = °C × 4/5 | Historisch (Europa) | Historische teksten, traditionele recepten |
Bronnen
De definities en omrekenwaarden op deze pagina zijn gebaseerd op erkende officiële metrologische referenties.