องศาอุณหภูมิคืออะไร? ทำความเข้าใจประวัติศาสตร์ความร้อนและความเย็น

อุณหภูมิ (Temperature) คือปริมาณทางกายภาพพื้นฐานที่ส่งผลต่อชีวิตในด้านต่างๆ ตั้งแต่สภาพอากาศและภูมิอากาศไปจนถึงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และกระบวนการทางอุตสาหกรรม การทำความเข้าใจการวัดอุณหภูมิเกี่ยวข้องกับแนวคิดสำคัญสองประการ ได้แก่องศาอุณหภูมิและหน่วยอุณหภูมิ

อุณหภูมิเป็นหน่วยวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในสาร พูดง่ายๆ ก็คืออุณหภูมิบ่งชี้ว่าวัตถุหรือสภาพแวดล้อมร้อนหรือเย็นเพียงใด อีกทั้งยังมีบทบาทสำคัญในกิจกรรมประจำวัน การใช้งานในอุตสาหกรรม และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ประวัติศาสตร์หน่วยวัดองศาอุณหภูมิ

ประวัติศาสตร์เผยให้เห็นวิวัฒนาการของการวัดความร้อน ตั้งแต่มาตรวัดเซลเซียสซึ่งใช้จุดน้ำค้างและจุดเดือดของน้ำ ไปจนถึงมาตรวัดฟาเรนไฮต์ซึ่งมีอิทธิพลต่อกระแสการวิจัย ไปจนถึงมาตรวัดเคลวินซึ่งมีความสำคัญต่อการศึกษาการเผาไหม้ของสสาร

โดยแต่ละระบบมีบทบาทสำคัญ มาตรวัดเรโอมูร์และแรงคินซึ่งไม่ค่อยมีคนรู้จักยังมีส่วนสนับสนุนความก้าวหน้าของวาล์วและเครื่องมือวัดอีกด้วย

หน่วยองศานิวตัน (Newton Scale) ปี ค.ศ 1701

นิวตันเป็นนักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ นักเทววิทยา นักเขียน และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เขาเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่มีมา เทียบได้กับไอน์สไตน์ โดยเขาค้นพบสิ่งใหม่ๆ เช่นสเปกตรัมสี (โดยใช้ปริซึมแก้ว) และกฎการเคลื่อนที่สามข้อ องศาของนิวตันเป็นหน่วยอุณหภูมิที่คิดค้นโดยไอแซก นิวตัน

ในปี ค.ศ. 1701 เขาได้ประดิษฐ์อุปกรณ์วัดความร้อนและเรียกอุปกรณ์ของเขาว่า “เทอร์โมมิเตอร์” แต่เขาไม่ได้ใช้คำว่า “อุณหภูมิ” โดยพูดถึง “องศาความร้อน” (gradus caloris) แทน (ซึ่งได้ตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์ควบคู่ไปกับหน่วยของโรเมอร์ (Rømer) ที่ตีพิมพ์ในเวลาใกล้เคียงกัน)

หน่วยองศาโรเมอร์ (Rømer scale) ปี ค.ศ 1701

หน่วยองศาโรเมอร์ (Rømer scale) (การออกเสียงภาษาเดนมาร์ก: [ˈʁœˀmɐ]; แสดงเป็น °Rø) หรือเรียกอีกอย่างว่าโรเมอร์ เป็นมาตราส่วนอุณหภูมิที่ได้รับการตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อโอเล คริสเตนเซน โรเมอร์ ซึ่งพัฒนามาตราส่วนนี้ขึ้นเพื่อใช้เองในราวปี ค.ศ. 1702

มาตราส่วนดังกล่าวมีจุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์อยู่ที่ 7.5 องศา และจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 60 องศา ในตอนแรก Rømer ตั้งใจให้จุด 0 องศาของมาตราส่วนของเขาสอดคล้องกับอุณหภูมิยูเทกติกของน้ำเกลือแอมโมเนียมคลอไรด์ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดและทำซ้ำได้ง่ายในขณะนั้น และใช้เป็นจุดอ้างอิงต่ำสุดสำหรับมาตราส่วนอุณหภูมิ

หน่วยฟาเรนไฮต์ (Fahrenheit) ปี ค.ศ 1724

องศาฟาเรนไฮต์ (Fahrenheit) เขียนย่อเป็น °F ซึ่งสร้างขึ้นโดยแดเนียล กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Daniel Gabriel Fahrenheit) ในปี ค.ศ. 1724 ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านการวัดอุณหภูมิ โดยในช่วงแรกนั้น มาตราฟาเรนไฮต์ใช้จุดเยือกแข็งของน้ำแข็งและอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์เป็นพื้นฐาน

ต่อมาได้มีการปรับปรุงองศาฟาเรนไฮต์ให้รวมถึงจุดเดือดของน้ำด้วย แม้ว่าจะไม่ค่อยมีการใช้กันมากเท่าองศาเซลเซียสหรือเคลวินในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ แต่ฟาเรนไฮต์ก็ยังคงได้รับความนิยมในสหรัฐอเมริกา และให้ความแม่นยำที่น่าสนใจสำหรับการวัดอุณหภูมิโดยรอบ ตั้งแต่การทำความร้อนภายในบ้านไปจนถึงการใช้งานทางอุตุนิยมวิทยา

หน่วยองศาเรโอมูร์ (Réaumur scale) ปี ค.ศ. 1731

หน่วย Réaumur (ภาษาฝรั่งเศส: [ʁeomy(ː)ʁ] เขียนย่อด้วยสัญลักษณ์ °Ré, °Re, °r) เป็นมาตราส่วนอุณหภูมิซึ่งจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของน้ำถูกกำหนดให้เป็น 0 และ 80 องศาตามลำดับ มาตราส่วนนี้ตั้งชื่อตาม René Antoine Ferchault de Réaumur ซึ่งเป็นผู้เสนอเป็นคนแรกในปี ค.ศ. 1730

หน่วยองศาเรโอมูร์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในยุโรป โดยเฉพาะในฝรั่งเศส เยอรมนี และรัสเซีย และได้รับการอ้างถึงในงานของโทมัส เจฟเฟอร์สัน และ นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในช่วงปี ค.ศ. 1790 ฝรั่งเศสได้เลือกใช้หน่วยเซลเซียสเป็นส่วนหนึ่งของระบบเมตริก แทนที่จะใช้หน่วยเรโอมูร์ แต่ยังคงใช้หน่วยเรโอมูร์ในบางส่วนของยุโรปจนถึงอย่างน้อยกลางศตวรรษที่ 19 และในบางส่วนของรัสเซียจนถึงต้นศตวรรษที่ 20

หน่วยองศาเดอลีล (Delisle scale) ปี ค.ศ. 1732

มาตราเดอลีล เขียนย่อเป็น °De เป็นมาตราอุณหภูมิที่คิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1732 โดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส โจเซฟ-นิโกลาส เดอลีล (ค.ศ. 1688–1768) เป็นที่น่าสังเกตว่าเป็นหนึ่งในไม่กี่มาตราอุณหภูมิที่มีการกลับทิศทางจากปริมาณพลังงานความร้อนที่วัดได้ ซึ่งแตกต่างจากมาตราอุณหภูมิอื่นๆ

โดยเขาได้สร้างเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้ปรอทเป็นของเหลว โดยใช้อุณหภูมิของน้ำเดือดเป็นจุดศูนย์ (0) คงที่และวัดการหดตัวของปรอท (ที่อุณหภูมิต่ำกว่า) เป็นร้อยส่วน

หน่วยองศาเซลเซียส (Celsius) ปี ค.ศ. 1742

องศาเซลเซียส (Celsius) เขียนย่อเป็น °C ซึ่งตั้งชื่อตามแอนเดอร์ส เซลเซียส (Anders Celsius) นักฟิสิกส์ชาวสวีเดน ถือเป็นการปฏิวัติการวัดอุณหภูมิในศตวรรษที่ 18 โดยในช่วงแรกนั้นมีการกลับทิศ โดยจุดเยือกแข็งของน้ำคือ 100°C และจุดเดือดของน้ำคือ 0 °C ที่ความดันบรรยากาศปกติ

ต่อมาได้มีการปรับเปลี่ยนให้เป็นรูปแบบปัจจุบัน มาตราส่วนนี้ซึ่งเป็นพื้นฐานของเทอร์โมไดนามิกส์มีอิทธิพลต่องานของวิลเลียม ทอมสัน (ลอร์ดเคลวิน) และมีส่วนช่วยในการพัฒนาหลักการเทอร์โมไดนามิกส์ข้อที่สาม โดยสร้างความเชื่อมโยงที่สำคัญระหว่างอุณหภูมิและพลังงานความร้อน

หน่วยเคลวิน (Kelvin scale) ปี ค.ศ.1848

หน่วยเคลวิน (Kelvin scale) เขียนย่อเป็น K โดยไม่มีสัญลักษณ์องศา ° ซึ่งคิดค้นโดยวิลเลียม ทอมสัน (William Thomson) เป็นผู้ริเริ่มในปี พ.ศ. 2391 ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการทำความเข้าใจอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ โดยกำหนดศูนย์สัมบูรณ์เป็นจุดอ้างอิง ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในสาขาพลังงานความร้อนใต้พิภพและการออกแบบหม้อไอน้ำที่มีประสิทธิภาพ

หน่วยนี้ทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์สามารถวัดอุณหภูมิที่แปรปรวนได้อย่างแม่นยำ ตั้งแต่สภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำแข็งซึ่งมีหิมะเกาะไปจนถึงความร้อนสูงของกระบวนการอุตสาหกรรม ซึ่งถือเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อนในบริบทต่างๆ

หน่วยองศาแรงคิน (Rankine) ปี ค.ศ.1859

มาตราส่วนแรงคินซึ่งสร้างขึ้นโดยวิลเลียม จอห์น แม็กควอน แรงคิน (William John Macquorn Rankine) ในปี ค.ศ. 1859 มีช่วงเดียวกันกับมาตราส่วนฟาเรนไฮต์ แต่เริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ ทำให้มีประโยชน์ในการคำนวณความดันในปั๊มความร้อนและการศึกษารังสีดวงอาทิตย์

หน่วยองศาแรงคินใช้ในระบบวิศวกรรมที่คำนวณความร้อนโดยใช้องศาฟาเรนไฮต์ สัญลักษณ์ขององศาแรงคินคือ °Ra โดยยังมีการใช้งานหน่วยนี้ในสาขาวิศวกรรมศาสตร์บางสาขาในสหรัฐอเมริกาทางอุณหพลศาสตร์โดยใช้มาตราแรงไคน์ อย่างไรก็ตาม ในโลกวิทยาศาสตร์ที่มีการวัดในหน่วย SI อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์จะวัดเป็นหน่วยเคลวิน

หน่วย SI (International System of Units) อุณหภูมิ

หน่วยอุณหภูมิ SI ตามระบบหน่วยสากลคือเคลวิน ซึ่งแสดงด้วยสัญลักษณ์ K สเกลเคลวินเป็นที่ยอมรับหรือใช้กันอย่างกว้างขวางในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ในส่วนต่างๆ ของโลกส่วนใหญ่มักใช้สเกลเซลเซียสหรือฟาเรนไฮต์ในการวัดอุณหภูมิ

การวัดทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากใช้มาตราส่วนอุณหภูมิเคลวิน (สัญลักษณ์หน่วย: K) ซึ่งตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ฟิสิกส์ผู้กำหนดมาตราส่วนนี้เป็นคนแรก มาตราส่วนนี้เป็นมาตราส่วนสัมบูรณ์

จุดศูนย์เชิงตัวเลขคือ 0 K ซึ่งอยู่ที่ศูนย์สัมบูรณ์ของอุณหภูมิ องศาเคลวินได้รับการกำหนดขึ้นโดยใช้ทฤษฎีจลนศาสตร์ของอนุภาคและกลศาสตร์สถิติ ในระบบหน่วยสากล (SI) ขนาดของเคลวินถูกกำหนดขึ้นโดยใช้ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ (Boltzmann constant) ซึ่งค่าดังกล่าวถูกกำหนดขึ้นตามอนุสัญญาระหว่างประเทศ

ตารางการเปลี่ยนหน่วยของอุณหภูมิต่างๆ

Units	From Celsius	To Celsius
Kelvin	[K] = [°C] + 273.15	[°C] = [K] − 273.15
Fahrenheit	[°F] = [°C] × 9 ⁄ 5 + 32	[°C] = ([°F] − 32) × 5 ⁄ 9
Rankine	[°R] = ([°C] + 273.15) × 9 ⁄5	[°C] = ([°R] − 491.67) × 5 ⁄ 9
Newton	[°N] = [°C] × 33 ⁄ 100	[°C] = [°N] × 100 ⁄ 33
Rømer	[°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5	[°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40 ⁄ 21
Réaumur	[°Ré] = [°C] × 4 ⁄ 5	[°C] = [°Ré] × 5 ⁄ 4
Delisle	[°De] = (100 − [°C]) × 3 ⁄ 2	[°C] = 100 − [°De] × 2 ⁄ 3