De temperatuurschaal Celsius is een systeem om de warmte van verschillende materialen te meten. Het werd uitgevonden door Anders Celsius, een Zweeds natuurkundige, in 1742. De schaal is vernoemd naar hem en wordt wereldwijd gebruikt.
Basisbegrippen en definities
Om begrip voor de temperatuurschaal Celsius te krijgen, moet men eerst weten wat temperatuur precies betekent. Temperatuur is een meetbare eigenschap van materiaal die voortkomt uit de mate waarin deeltjes in beweging zijn of juist niet zijn. Hoe groter de bewegingsenergie is, hoe hoger de temperatuur.
Een ander belangrijk begrip is nul graad Celsius (-0°C). Dit punt wordt gebruikt Celsius als referentiepunt voor alle temperaturen op een schaal van 100 graden Celsius. Onder het cijfer 0 zitten alle lage temperaturen en boven het cijfer 0 zullen de hoge temperaturen zijn.
Hoe werkt de temperatuurschaal?
De temperatuurschaal is gebaseerd op thermometrische waarden, die worden verkregen door materialen te bepalen waarbij hun thermische expansie evenveel is als bij een zekere referentiemateriaal. In 1742 deed Celsius een meetinstrument dat hij de «thermometer» noemde.
De thermometer was bestaande uit drie delen: het vacuüm van een gloeiend punt, het geheimzinnige waterstofsamenstelling en de koppeling met een soort thermische expansie. Anders Celsius verving later dit laatste door een mengsel van ethanol en glycerine in plaats daarvan gebruikte hij benzeen voor de verhitting.
Celsius was erachter gekomen dat de temperatuur niet constant bleef bij elke toename van temperatuur, maar dat deze eveneens fluctueerde. Hij noemde dit fenomeen «thermische expansie» en ontdekte daarmee het belangrijkste verschil tussen de klassieke thermometrie (met thermometer) en wat hij later een nieuwe meetinstrument zou gaan gebruiken: een verwarmingselement.
Een thermometer met drie delen bestond uit:
- Eén vloeistofdeel, dat bestond uit ethanol en glycerine, in plaats van benzeen. Dit deel was gemarkeerd van -12,5° tot 30°C.
- Een druppelloos vacuüm, waarvan het einde was afgesloten met een rubber stop om ervoor te zorgen dat geen zuurstofklast opdroogt en vochtigteert.
- Het derde deel bevatte het thermische expansie-element. Hierbij waren de thermometers van Celsius bestaan uit vier dunne platen waarvan elke voorzien was met een rubber stop die werd vastgemaakt door een zuurstof-vrij kathetersysteem.
Het concept achter de thermometer werkt als volgt: bij het verhogen of verminderen van temperatuur verschuift de vloeistofdeel in en uit de druppelloos vacuüm. Aangezien water veel meer thermische expansie vertoont dan benzeen, kan men precies bepalen wanneer het verwarmingselement warm wordt of koud wordt door zijn positieve temperatuur (bij 1°C) te vergelijken met de absolute nultemperatuur (-273,15°K).
Evolutie van de thermoscoop
Oorspronkelijk gebruikte Anders Celsius een thermometrische schaal voor water dat opgespannen werd in een metalen cilinder om warme en koude temperatuursgradaties te meten. Door het principe van de thermische expansie kon hij nauwkeurig bepalen hoeveel graden de temperaturen verschoven, waardoor deze schaal gebruikt kon worden voor alle soorten materie.
Later ontwikkelde Celsius een nieuw meetinstrument dat hem en zijn tijdgenoten toestond om directe metingen van temperatuur uit te voeren. Door het verwarmingselement rechtstreeks aan de thermometer aan te sluiten, konden zij niet meer afhankelijk worden van de indirecte maten die ze eerder hadden moeten gebruiken.
Met behulp van zijn nieuwe meetinstrument kon Celsius temperaturen met grote nauwkeurigheid meten. Hij merkte echter al gauw op dat de thermische expansieverschillen tussen benzeen en water bij temperaturen boven -20°C een probleem vormden voor de thermometer.
Om deze problematiek weg te nemen gebruikte hij waterstoffen in plaats van ethanolverbinding, die hij zelf ook had ontdekt. De thermometer van Celsius werd hierdoor niet alleen zuiniger maar kon ook directer gemakkelijk worden gemaakt om benzeen in een vacuüm of vloeistof in de druppelloos vacuüm op te nemen.
De temperatuur kan dus nog steeds worden bepaald door thermische expansie, en men mag van Celsius leren dat voor de verschillende metingen er andere meetinstrumenten zijn. De thermometer die nu algemeen gebruikt wordt is namelijk ook wel bekend als een waterstofthermometer.
Overzicht
In deze sectoren hebben we het gehad over:
- Temperatuur en haar basisbegrippen
- Bepaling van nul graad Celsius (-0°C)
- Het concept achter de thermometer
- De evolutie van thermoscoop
Hoewel de thermometer onmisbaar is om temperatuurschalen in te delen, moet het duidelijk worden dat een nieuwe meetinstrument nodig was voor de meting en waarschijnlijk zijn daarom bij nader onderzoek meer mogelijkheden aanwezig.