Celsiusaste

Lämpömittari celsius- ja fahrenheitasteikoilla.

Lämpömittari celsius- ja kelvinasteikoilla.

Celsiusaste (yksikön tunnus °C, yksikön nimen kirjoitusasu ”celsiusaste”, yleiskielessä ”aste”) on SI-järjestelmän mukainen lämpötilan johdannaisyksikkö. Celsius-asteikko on lämpötila-asteikko, jonka esitteli ruotsalainen tähtitieteilijä Anders Celsius vuonna 1742. Celsius-asteikko on empiirinen asteikko, jonka kaksi referenssipistettä ovat veden sulamis- ja kiehumispiste. Niille on annettu arvot 0 °C ja 100 °C. Mittausteknisesti Celsius-asteikko on välimatka-asteikko, jossa termodynaamisia laskelmia voi tehdä ainoastaan lämpötilaerojen avulla. Asteikosta tuli lopulta hyvin suosittu ja se on käytössä lähes koko maailmassa.

Celsius-asteikko SI-järjestelmässä

Celsiusaste on lämpötilan SI-järjestelmän mukainen kelvinin suora johdannaisyksikkö. Toisaalta voidaan ajatella, että celsiusaste on erityisnimi Kelvin-asteikon lämpötilojen erotuksille eli lämpötilaeroille.

Yksikön määritelmä

Lämpötilan perusasteikkona SI-järjestelmässä on kelvinasteikko. Se on termodynaaminen asteikko, eli siinä absoluuttinen nollapiste on määritelty nollaksi kelviniksi. Suuruudeltaan kelvin määritellään nykyisin antamalla Boltzmannin vakiolle kiinteä lukuarvo 1,380 649 · 10^-23, kun yksikkönä on J K^-1.

Celsiusasteikko on määritelty siten, että siinä lämpötilaerot ovat lukuarvoltaan yhtä suuret kuin kelvineinäkin, mutta 0 °C vastaa lämpötilaa 273,15 kelviniä, joka on varsin suurella tarkkuudella sama kuin veden jäätymispiste normaalissa ilmanpaineessa. Celsiuslämpötila merkitsee siis itse asiassa lämpötilan ja veden jäätymislämpötilan erotusta.

Aikaisemmin (vuonna 1954) kelvin oli määritelty lämpötilan yksiköksi, joka oli 1/273,16 termodynaamisesta lämpötilasta veden kolmoispisteessä. Kolmoispisteen lämpötilaksi oli siten määritelty 273,16 K ja Celsius-asteikon nollakohdaksi 273,15 K. Koska veden kolmoispiste on tarkemmin määriteltävissä kuin sulamispiste, joka riippuu myös vallitsevasta paineesta, sen avulla saatiin tarkempi lämpötila-asteikko. Koska veden jäätymispiste normaalissa ilmanpaineessa on noin 0,01 astetta alempi kuin sen kolmoispiste, oli jäätymispiste myös näin määritellyllä asteikolla varsin tarkoin 0 °C.

Määritelmän mukaan Celsius-asteikon asteväli on sama kuin Kelvin-asteikolla, eli lämpötilan muuttuessa yhden celsiusasteen verran on muutos vastaavan suuruinen kelvineinä. Lämpötilamuunnokset ovat siten helppoja laskea. Lämpötilan suureen tunnuksina käytetään t celsiusasteille ja T kelvineille. Muunnokset voidaan laskea kaavoilla

${\frac {T}{K}}={\frac {t}{^{\circ }C}}+273{,}15$

ja

${\frac {t}{^{\circ }C}}={\frac {T}{K}}-273{,}15.$

Suosituksia kirjoittamisesta

Standardin mukainen merkintätapa on käyttää yksikön tunnusta. Näin ollen on oikein kirjoittaa esimerkiksi 20 °C tai 20 celsiusastetta pienellä etukirjaimella. On vältettävä kirjoittamista 20° (ilman C:tä), 20 astetta tai 20 astetta celsiusta. Luvun ja yksikön °C välissä on aina välilyönti.

Historiaa

Celsiuksen hahmottelema piirros mittaristaan, jolla oli käänteinen lämpötila-asteikko.

Ruotsalainen astronomi Anders Celsius ehdotti vuonna 1742 lämpötila-asteikkoa, jonka kaksi referenssipistettä olivat veden sulamispiste ja kiehumispiste. Kiehumispisteeksi asetettiin 0 °C ja sulamispisteeksi 100 °C. Asteikko oli siten käänteinen verrattuna nykyisiin. Vain 10 vuotta aiemmin oli professori Joseph-Nicolas Delisle esitellyt Pietarin yliopistossa Delisle-asteikon, joka on voinut vaikuttaa käänteisen asteikon valintaan. Uppsalan yliopiston Museum Gustavianumissa on tallella lämpömittari, jossa on tällainen asteikko.

Koska Celsius tiesi ilmanpaineen vaikuttavan kiehumispisteen arvoon, hän määritteli kiehumispisteen niin, että barometrin tuli olla ”25 tuumaa ja kolme linjaa pitkä” eli sen tuli näyttää normaalia ilmanpainetta. Silloin vesi kiehuisi aina samassa lämpötilassa. Celsius kuoli pari vuotta myöhemmin, ja asteikkoa kehitti eteenpäin hänen työtoverinsa Märtin Strömmer. Hän käänsi asteikon toisin päin, eli nykyiselleen, ja asetti uuden mittarin vuonna 1750 vanhan Celsius-mittarin tilalle Uppsalan yliopiston meteorologiselle laitokselle, mistä lähtien sillä suoritettiin mittauksia.

Ranskalainen Jean-Pierre Christin kehitti myös lämpömittarin, jonka referenssipisteet olivat jään sulamispiste (0 astetta) ja veden kiehumispiste (100 astetta), mutta hän ei huomioinut ilmanpaineen vaikutusta kiehumispisteen valinnassa. Christin julkaisi asteikkonsa paikallisessa lehdessä vuonna 1743. Cristinin asteita kutsuttiin ”centigradeiksi” ja mittareita ”Lyonin lämpömittareiksi”. Carl von Linné tilasi Uppsalan kasvitieteelliseen puutarhaan oman mittarin, joka toimitettiin sinne vuonna 1745 vuoden myöhässä. Sillä mitattiin jo loppuvuodesta lämpötiloja, joiden kirjaukset ovat säilyneet nykypäiviin asti. Myös Linnén mittarissa asteikko oli käännetty nykyiselleen, kuten Strömmer teki 5 vuotta myöhemmin. Erotukseksi Celsiuksen asteista näitä uusia asteita kutsuttiin aluksi nimillä ”Celsius Novum”, ”Ekström” (valmistajan mukaan) tai ”Strömm”. Linnétä ja Christiniä voidaan molempia pitää nykyasteikon keksijöinä ennemmin kuin Celsiusta, joka käytti käänteistä asteikkoa.

Osaksi SI-järjestelmää

Vuonna 1948 celsiusaste liitettiin SI-järjestelmän osaksi Kansainvälisen mitta- ja painokonferenssin tapaamisessa 9. Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) ja määrättiin olemaan 0,01 K alle kolmoispisteen. Samana vuonna Comité International des Poids et Mesures (CIPM) suositteli yksikön nimeksi celsiusaste (degree Celsius). Vuonna 1954 (10. CGPM) kelvin kiinnitettiin kolmoispisteeseen tarkasti lämpötilana 273,16 K, mikä vaikutti myös Celsius-asteikon määritelmään.

SI-järjestelmän myötä Celsius-asteikko otettiin käyttöön lähes koko maailmassa 1970-luvulle mennessä. Fahrenheit-asteikko on yhä käytössä lähinnä vain Yhdysvalloissa, ja sielläkin tieteellisissä yhteyksissä käytetään yleensä Celsius-asteikkoa. Kanadassa lämpötilat ilmoitetaan usein kummankin asteikon mukaan, etenkin Yhdysvaltojen rajan läheisyydessä. Isossa-Britanniassa Celsius-asteikkoa alettiin käyttää säätiedotuksissa vuonna 1962, mutta Fahrenheit-asteikkoa voidaan käyttää yhä epävirallisesti esimerkiksi mediassa.

Muuntaminen

Lämpötilayksiköiden muuntotaulukko

Mistä	Mihin	Yhtälö
Celsiusaste	Fahrenheit-aste	°F = °C · 1,8 + 32
Fahrenheit-aste	Celsiusaste	°C = (°F − 32) / 1,8
Celsiusaste	Kelvin	K = °C + 273,15
Kelvin	Celsiusaste	°C = K − 273,15

Lähteet

• Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer 1592–1743. Easton, Pennsylvania: The Chemical Publishing Company, 1900. Teoksen verkkoversio. (englanniksi)
• Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (PDF) (Löytyy myös painettuna, ISBN 978-952-242-411-2.) SFS-oppaat. 2019. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 31.12.2019.
• Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (PDF) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Arkistoitu 3.6.2016. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)
• Rantala, T.: 18. Lämpötila, lämpölaajeneminen ja ideaalikaasu (PDF) (Lämpöopin luentomoniste) 1997. Oulun yliopisto. Arkistoitu 5.9.2003.
• Hyhkö, Heikki: Tilastotieteen johdantokurssi (PDF) mv.helsinki.fi. 2013. Arkistoitu 18.3.2015.
• Linnaeus’ thermometer 2008. Uppsala: Uppsala Universitet. (englanniksi)
• Beckman, Olof: Celsius temperature scale 2008. Uppsala: Uppsala Universitet. (englanniksi)
• Fournet, Joseph Jean Baptiste Xavier: Sur l'invention du thermomètre centigrade à mercure: faite à Lyon par M. Christin. ., 1845. Teoksen verkkoversio. (ranskaksi)

Aiheesta muualla

• Science Museum: Mercury-in-glass thermometer, 1743–1799 (Arkistoitu – Internet Archive). (valokuva) (englanniksi)
• Arthur Sigurssen: History of the Thermometer (Arkistoitu – Internet Archive) Newsfinder, 2003. (englanniksi)
• Lämpötilayksiköiden muuntolaskuri (Arkistoitu – Internet Archive). (englanniksi)
• yksiköiden muunnosohjelma (Arkistoitu – Internet Archive). (englanniksi)