Temperaturskalen verstehen: Fahrenheit, Celsius, Kelvin und mehr

Anders Celsius hat seine Temperaturskala verkehrt herum entworfen. Als der schwedische Astronom sein Thermometer 1742 der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften vorstellte, markierte 0 Grad den Siedepunkt des Wassers und 100 Grad den Gefrierpunkt. Heiß war unten, kalt war oben. Erst ein anderer Wissenschaftler drehte die Skala nach dem Tod von Celsius um und gab uns die Version, die wir heute kennen. Solche Zufälle ziehen sich durch die gesamte Geschichte der Temperaturmessung. Die vier heute noch gebräuchlichen Skalen wurden jeweils für einen anderen Zweck, mit unterschiedlichen Referenzpunkten und von Menschen entwickelt, die verschiedene Probleme lösen wollten. Wer versteht, wie jede davon entstanden ist, dem erscheint die Mathematik zwischen den Skalen gleich viel weniger rätselhaft.

Die vier Temperaturskalen

Fahrenheit: Die älteste noch gebräuchliche Skala

Daniel Gabriel Fahrenheit, ein deutsch-niederländischer Physiker und Instrumentenbauer, schlug seine Skala 1724 vor. Er baute Quecksilber-Glasthermometer (eine Verbesserung gegenüber den damals üblichen Alkohol-Thermometern) und benötigte eine einheitliche Methode zur Kalibrierung.

Fahrenheit definierte drei Referenzpunkte. Sein Nullpunkt (0 F) war die Temperatur einer Solelösung aus Wasser, Eis und Ammoniumchlorid, die durch eutektisches Einfrieren bei einer stabilen Temperatur steht. Sein zweiter Referenzpunkt war der Gefrierpunkt von reinem Wasser bei 32 F. Als dritten Punkt wählte er die menschliche Körpertemperatur mit 96 F. Die Wahl von 96 war bewusst: 64 Grad trennten Eis von der Körpertemperatur, und 64 ist eine Potenz von 2 (2 hoch 6). So konnte Fahrenheit sein Thermometer durch sechsmaliges Halbieren des Intervalls skalieren — ein praktischer Vorteil für einen Glasbläser, der die Linien von Hand einritzte.

Nach Fahrenheits Tod wurde die Skala so neu kalibriert, dass der Siedepunkt des Wassers genau bei 212 F liegt, was ein sauberes Intervall von 180 Grad zwischen Gefrier- und Siedepunkt ergibt. Diese Verschiebung hob die Körpertemperatur von 96 F auf das heute bekannte 98,6 F an (was schlicht der direkte Umrechnungswert von 37 C ist).

Wenn Sie von Fahrenheit in eine andere Skala umrechnen möchten, nutzen Sie den Fahrenheit-zu-Celsius-Umrechner oder den Fahrenheit-zu-Kelvin-Umrechner.

Celsius: Einfachheit als Prinzip

Anders Celsius war Astronom an der Universität Uppsala in Schweden. 1742 veröffentlichte er eine Beschreibung eines Thermometers mit zwei festen Punkten: dem Siedepunkt des Wassers (den er auf 0 Grad festlegte) und dem Gefrierpunkt (auf 100 Grad). Ja, seine ursprüngliche Skala verlief umgekehrt zu der, die heute seinen Namen trägt.

Warum dieses Design? Celsius argumentierte, dass unter normalen Lebensbedingungen die Temperaturen selten unter den Gefrierpunkt fallen. Eine invertierte Skala bedeutete weniger negative Zahlen im Alltag, was Schreibfehler bei Wetteraufzeichnungen reduzierte.

Etwa ein Jahr nach dem Tod von Celsius kehrte der schwedische Botaniker Carl Linnaeus (oder möglicherweise der Instrumentenbauer Daniel Ekström) die Skala um, sodass 0 den Gefrierpunkt und 100 den Siedepunkt darstellte. Diese Version setzte sich durch. Über zwei Jahrhunderte lang hieß sie „Zentigrad"-Skala, vom lateinischen Begriff für „hundert Schritte". 1948 benannte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht sie offiziell in „Celsius" um, um Verwechslungen mit dem im Französischen verwendeten „Centigrade" als Winkeleinheit zu vermeiden und den Astronomen zu ehren, der alles begonnen hatte.

Die Celsius-Skala unterteilt den Bereich zwischen Gefrier- und Siedepunkt des Wassers in genau 100 gleiche Grad. Diese klare Einteilung ist der Grund, warum sie so natürlich zum metrischen System passt. Sie können Celsius in Fahrenheit oder Celsius in Kelvin für beliebige Werte umrechnen.

Kelvin: Die absolute Skala

1848 veröffentlichte der in Irland geborene Physiker William Thomson (später Baron Kelvin of Largs, nach dem Fluss Kelvin nahe seinem Glasgower Labor) „On an Absolute Thermometric Scale". Thomsons Problem mit den bestehenden Skalen: Sowohl Fahrenheit als auch Celsius verwendeten willkürliche Referenzpunkte, die an Wasser geknüpft waren, dessen Gefrier- und Siedepunkt vom Luftdruck abhängen. Er wollte eine Skala, die in der Physik der Wärme selbst verankert ist.

Durch Extrapolation des Verhaltens eines idealen Gases errechnete Thomson, dass die Molekularbewegung bei etwa minus 273 Grad Celsius vollständig zum Stillstand kommt — bemerkenswert nah am modernen Wert von minus 273,15 C. Diesen Punkt setzte er als absoluten Nullpunkt, den Anfang seiner Skala.

Ein Kelvin ist genauso groß wie ein Grad Celsius. Der einzige Unterschied liegt in der Lage des Nullpunkts. Während 0 C der Gefrierpunkt von Wasser ist, ist 0 K die theoretisch kälteste erreichbare Temperatur. Wasser gefriert bei 273,15 K und siedet bei 373,15 K.

Das Kelvin (ohne Gradzeichen, nur K) wurde 1954 zu einer der sieben SI-Basiseinheiten und 2019 in Bezug auf die Boltzmann-Konstante neu definiert — es ist damit direkt an fundamentale Physik gebunden, nicht an die Eigenschaften eines bestimmten Stoffs. Rechnen Sie mit dem Kelvin-zu-Celsius-Umrechner oder dem Kelvin-zu-Fahrenheit-Umrechner zwischen den Skalen um.

Rankine: Die absolute Skala des Ingenieurs

Der schottische Ingenieur William John Macquorn Rankine veröffentlichte seine Temperaturskala 1859 in „A Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers". Rankine, einer der Begründer der Thermodynamik neben Clausius und Thomson, benötigte eine absolute Skala mit Fahrenheit-großen Graden für die britischen und amerikanischen Ingenieurgemeinschaften.

Die Rankine-Skala verhält sich zu Fahrenheit wie Kelvin zu Celsius: gleiche Gradgröße, aber Beginn beim absoluten Nullpunkt (0 R = minus 459,67 F). Wasser gefriert bei 491,67 R und siedet bei 671,67 R. Die Skala wird heute noch in der amerikanischen Thermodynamik, Verbrennungstechnik und Luft- und Raumfahrttechnik verwendet. Rechnen Sie mit den Werkzeugen Fahrenheit zu Rankine oder Celsius zu Rankine um.

Umrechnungsformeln

Temperaturumrechnungen sind keine einfachen Multiplikationen wie das Umrechnen von Kilometern in Meilen. Da die Skalen unterschiedliche Nullpunkte und unterschiedliche Gradgrößen verwenden, beinhaltet jede Umrechnung einen Versatz, ein Verhältnis oder beides.

Celsius und Fahrenheit

Die Fahrenheit-Skala hat 180 Grad zwischen dem Gefrier- und dem Siedepunkt des Wassers. Die Celsius-Skala hat 100 Grad über denselben Bereich. Das ergibt ein Verhältnis von 9 zu 5 (also 1,8). Der Versatz von 32 Grad berücksichtigt, dass Wasser bei 32 F, aber bei 0 C gefriert.

Celsius in Fahrenheit: F = C x 9/5 + 32

Fahrenheit in Celsius: C = (F - 32) x 5/9

Rechenbeispiel: 25 C in Fahrenheit umrechnen. 25 mit 9/5 multiplizieren ergibt 45, dann 32 addieren. Ergebnis: 77 F. Umgekehrt: Von 77 F 32 subtrahieren ergibt 45, multipliziert mit 5/9 ergibt 25 C.

Celsius und Kelvin

Da ein Kelvin gleich einem Grad Celsius ist, handelt es sich um eine einfache Verschiebung ohne Verhältnis.

Celsius in Kelvin: K = C + 273,15

Kelvin in Celsius: C = K - 273,15

Rechenbeispiel: Raumtemperatur von 20 C entspricht 293,15 K. Flüssiger Stickstoff bei 77 K entspricht minus 196,15 C.

Fahrenheit und Kelvin

Diese Umrechnung kombiniert das Celsius-Fahrenheit-Verhältnis mit dem Celsius-Kelvin-Versatz.

Fahrenheit in Kelvin: K = (F - 32) x 5/9 + 273,15

Kelvin in Fahrenheit: F = (K - 273,15) x 9/5 + 32

Rechenbeispiel: 350 F (eine häufige Backofentemperatur) in Kelvin umrechnen. 32 subtrahieren ergibt 318, mit 5/9 multiplizieren ergibt 176,67, plus 273,15. Ergebnis: 449,82 K.

Fahrenheit und Rankine

Die einfachste Umrechnung der ganzen Gruppe. Gleiche Gradgröße, unterschiedlicher Nullpunkt.

Fahrenheit in Rankine: R = F + 459,67

Rankine in Fahrenheit: F = R - 459,67

Rechenbeispiel: Raumtemperatur bei 68 F entspricht 527,67 R.

Celsius und Rankine

Diese Umrechnung kombiniert die Celsius-Fahrenheit-Formel mit dem Rankine-Versatz.

Celsius in Rankine: R = (C x 9/5) + 491,67

Rankine in Celsius: C = (R - 491,67) x 5/9

Rechenbeispiel: 100 C (kochendes Wasser) ergibt (100 x 1,8) + 491,67 = 671,67 R.

Kelvin und Rankine

Beide sind absolute Skalen, die Umrechnung ist daher ein reines Verhältnis: 1 K = 1,8 R.

Kelvin in Rankine: R = K x 9/5

Rankine in Kelvin: K = R x 5/9

Rechenbeispiel: Der absolute Nullpunkt ist 0 K = 0 R. Der Tripelpunkt des Wassers (273,16 K) entspricht 491,688 R.

Referenzpunkte auf allen vier Skalen

Die Gefrier- und Siedepunkte von Wasser gelten bei Normaldruck (1 atm bzw. 101,325 kPa). In größeren Höhen, wo der Luftdruck geringer ist, siedet Wasser bei niedrigeren Temperaturen. In Denver, Colorado (auf etwa 1.600 Metern Höhe), siedet Wasser bei etwa 95 C (203 F).

Welche Länder welche Skala verwenden

Die Welt hat sich weitgehend auf Celsius als alltägliche Temperatureinheit geeinigt. Nur eine Handvoll Länder und Territorien verwendet Fahrenheit noch als primäre Skala:

Fahrenheit-Länder: Die Vereinigten Staaten, die Bahamas, die Cayman Islands, Palau, die Föderierte Staaten von Mikronesien und die Marshallinseln verwenden ausschließlich Fahrenheit.

Gemischte Verwendung: Belize, Bermuda und die Britischen Jungferninseln verwenden beide Skalen. Kanada verwendet offiziell Celsius, aber viele Kanadier denken bei Backofentemperaturen in Fahrenheit. Britische Boulevardzeitungen berichten Hitzewellen noch in Fahrenheit, weil größere Zahlen dramatischer klingen.

Alle anderen: Die verbleibenden mehr als 190 Länder verwenden Celsius — darunter ganz Europa, Asien, Afrika, Südamerika und Ozeanien.

Die USA übernahmen Fahrenheit, bevor das metrische System weltweit Fuß fasste. Ein Gesetz von 1975 (der Metric Conversion Act) rief zur freiwilligen Metrifikation auf, aber ohne Verpflichtung blieb Fahrenheit fest verankert.

Wann welche Skala zum Einsatz kommt

Fahrenheit im Alltag

In den USA und den wenigen anderen Fahrenheit-Ländern dominiert diese Skala den Alltag. Wettervorhersagen, Wohnungsthermostaten, Backofentemperaturen und Fiebermessungen werden in Fahrenheit angegeben. Die Skala hat einen praktischen Vorteil für Wetterberichte: Der Bereich von 0 bis 100 F deckt grob die Temperaturextreme ab, die Menschen in gemäßigten Klimazonen erleben. 0 F ist bitterkalt, 100 F gefährlich heiß. Celsius komprimiert denselben Bereich auf etwa minus 18 bis 38, was manche als weniger intuitiv für „Wie fühlt es sich draußen an" empfinden. Rechnen Sie beliebige Wettertemperaturen schnell mit dem Fahrenheit-zu-Celsius-Umrechner um.

Celsius im Alltag

Außerhalb der USA ist Celsius der Standard für Wetter, Kochen und allgemeine Kommunikation. Die Skala orientiert sich klar am Verhalten des Wassers: 0 ist der Gefrierpunkt, 100 der Siedepunkt. Sagt die Wettervorhersage 30 C an, weiß man: Es wird warm. Bei minus 10 C zieht man sich winterlich an. Medizinische Thermometer zeigen in den meisten Ländern Celsius an, mit 37 C als Normaltemperatur und allem über 38 C als Fieber. Unser Celsius-zu-Fahrenheit-Umrechner löst diese alltäglichen Nachschlagefragen sofort.

Kelvin in der Wissenschaft

Das Kelvin ist die SI-Einheit der Temperatur, und praktisch alle wissenschaftlichen Arbeiten verwenden sie. Physik, Chemie, Astronomie und Materialwissenschaften sind auf absolute Temperaturen angewiesen, da viele grundlegende Gleichungen nur damit korrekt funktionieren. Das ideale Gasgesetz (pV = nRT), das Stefan-Boltzmann-Gesetz (Strahlungsleistung proportional zu T hoch 4) und das Plancksche Strahlungsgesetz erfordern Temperaturen in Kelvin. Würde man Celsius oder Fahrenheit in diese Formeln einsetzen, kämen falsche Ergebnisse heraus, weil negative Temperaturen die Proportionalität zerstören würden.

Spezifische Bereiche, in denen Kelvin Standard ist: Kryotechnik (flüssiges Helium siedet bei 4,2 K, flüssiger Stickstoff bei 77 K), Farbtemperatur in der Fotografie (Tageslicht liegt bei etwa 5.500 K, Glühlampen bei etwa 2.700 K) und Astrophysik (der kosmische Mikrowellenhintergrund hat 2,725 K). Nutzen Sie den Celsius-zu-Kelvin-Umrechner bei wissenschaftlichen Arbeiten.

Rankine in der Technik

Rankine taucht in amerikanischen thermodynamischen Lehrbüchern, Dampftafeln und Luft- und Raumfahrtberechnungen auf. Sie begegnen ihm im Bereich der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK), bei der Kraftwerksplanung und in der Triebwerkstechnik. Außerhalb der amerikanischen Ingenieurwelt wird er kaum verwendet.

Häufige Fehler bei der Umrechnung

Den Versatz vergessen. Der häufigste Fehler ist, die Temperaturumrechnung wie ein einfaches Verhältnis zu behandeln. Celsius mit 1,8 zu multiplizieren ergibt das Fahrenheit-Intervall (wie viele Fahrenheit-Grade eine Änderung ausmacht), aber nicht den Fahrenheit-Messwert. Man muss nach der Multiplikation noch 32 addieren. „20 C mal 1,8 = 36 F" ist falsch. Die richtige Antwort ist 68 F.

Die Richtung der Formel verwechseln. Viele merken sich „mit 9/5 multiplizieren und 32 addieren", wenden das aber an, wenn sie von Fahrenheit umrechnen statt nach Fahrenheit. Geht es von Fahrenheit zu Celsius, muss zuerst 32 subtrahiert und dann mit 5/9 multipliziert werden.

273 statt 273,15 für Kelvin verwenden. Im informellen Gebrauch ist Runden auf 273 in Ordnung. In Chemie und Physik kommt es jedoch auf diese 0,15 an. Der Tripelpunkt des Wassers ist bei 273,16 K definiert (0,01 C), und das Weglassen der Dezimalstelle kann bei präzisen Berechnungen zu bedeutsamen Fehlern führen.

Annehmen, minus 40 sei immer der Schnittpunkt. Minus 40 C entspricht tatsächlich genau minus 40 F, aber dieser Fakt dient nur als Plausibilitätsprüfung — er ist keine Abkürzung für andere Werte.

Messwerte mit Differenzen verwechseln. Eine Änderung um 10 Grad Celsius entspricht einer Änderung um 18 Grad Fahrenheit. Aber 10 C ist nicht dasselbe wie 18 F. Die Formel für einen Temperatur-Messwert enthält den Versatz; die Formel für eine Temperatur-Differenz nicht.

Schnelle Kopfrechentricks

Für eine grobe Celsius-zu-Fahrenheit-Schätzung: Celsius-Wert verdoppeln und 30 addieren. Beispiel: 22 C ergibt 44 + 30 = 74 F (exakt: 71,6 F). Gut genug, um zu entscheiden, was man anzieht.

Für Fahrenheit zu Celsius: 30 subtrahieren, dann halbieren. 80 F ergibt (80 - 30) / 2 = 25 C (exakt: 26,7 C).

Für Kelvin: einfach 273 addieren oder subtrahieren. Raumtemperatur (20 C) sind etwa 293 K. Die 0,15 spielen nur im Labor eine Rolle.

Schnellübersicht: Häufige Temperaturen

Alle diese Umrechnungen stehen auf Calcflux zur Verfügung. Beginnen Sie mit Celsius zu Fahrenheit oder Fahrenheit zu Celsius für den Alltag, Celsius zu Kelvin für wissenschaftliche Arbeiten oder Fahrenheit zu Rankine für technische Berechnungen.