Hőmérő készítéséhez először is kell egy test, aminek valamely tulajdonsága függ a hőmérséklettől. Például a folyadékhőmérők esetén a bezárt higany vagy alkohol kitágul egy vékony csőben, és a folyadékszál végpontja a hőmérséklet szerint változik.
Ahhoz, hogy a műveletet mérésnek lehessen nevezni, nem elég, ha látjuk a folyadékszál végpontját, hanem kell egy számérték is. Erre szolgál, hogy skálát készítünk a folyadékszál mellé. A skálán lévő számokat önkényesen választhatjuk meg, tehát azt is, hogy hol legyen a skálán például a nulla vagy a 100-as érték. Ezeket hívjuk a skála alappontjainak (fixpont). De azért célszerű tekintettel lenni néhány szempontra:
- az alappontok hőmérsékletei tartósan legyenek előállíthatóak, azaz valami állandó hőmérsékletű rendszerhez legyen rendelve
- az alappontok hőmérsékletei könnyen reprodukálhatóak legyenek (olcsón, egyszerűen előállíthatóak, a világ bármely pontján)
- a skálán szereplő számok legyenek kezelhető nagyságúak
A Celsius-skála
A Celsius-skála ezen kritériumoknak nagyon jól megfelel, ennek (is) köszönhető, hogy széles körben elterjedt. Alappontjai:
- \(0\ \mathrm{{}^\circ C}\) a víz fagyáspontja, pontosabban szólva a víz-jég keverék hőmérséklete, ez ugyanis mindaddig változatlan, amíg az összes jég el nem olvad, vagy az összes víz meg nem fagy
- \(100\ \mathrm{{}^\circ C}\) a víz forráspontja, pontosabban szólva a forrásban lévő víz hőmérséklete, ami mindaddig változatlan, amíg az összes víz el nem forr vagy az összes gőz le nem csapódik
Mindkét alappont közönséges légnyomáson értendő, ugyanis az olvadás- és forráspontja minden anyagnak függ a nyomástól (például a Paksi Atomerőmű primer köri vize \(300\ \mathrm{{}^\circ C}\) hőmérsékletű, mégsem forr fel, mert \(123\ \mathrm{bar}\) nyomású).
A hétköznapi életben az USA-n kívül mindenhol a Celsius-skálát használják. Kivétel a tudományos élet, ahol az összes országban a Kelvin-skála használatos.
Az eredeti Celsius-skála
Celsius eleinte fordítva definiálta skálája alappontjait, vagyis az olvadó jég volt a \(100\ \mathrm{{}^\circ C}\), és a forrásban lévő víz a \(0\ \mathrm{{}^\circ C}\), és csak később fordította meg a jelenlegire. Ennek oka, hogy egy régi elmélet úgy képzelte a tárgyak hidegségét, hogy létezik egy színtelen, szagtalan, súlytalan "hidegségfolyadék", amelyből minél több van egy testben, az annál hidegebb, és minél kevesebb van belőle, annál melegebb. Ezért ha a hőmérőn leolvashatő számérték a "hidegségfolyadék" mennyiségével arányos, akkor a hideg testnél az érték nagyobb kell legyen.
A Fahrenheit-skála
Fahrenheit 1724-ben alkotta meg skáláját (a Rømernél látott hőmérőtől inspirálódva). Neki is tetszett a gondolat, hogy "ne legyen negatív értékű hőmérséklet". Tudta, hogy lakóhelyén, a porosz Danzig városában (ma a lengyelországi Gdansk) egy régi hőmérőn be van jelölve, hogy a valaha mért leghidegebb télen, 1708/9 fordulóján hol állt a hőmérőben az alkohol szál, és ez a hőmérséklet a Rømer skálán negatív értéknek számított. Fahrenheit a danzigi leghidegebb telet vette nulla foknak (szűklátókörűen, hiszen semmi nem utalt arra, hogy ennél hidegebb ne fordulhatna elő máshol, mondjuk Szibériában), másik alappontként pedig a saját testhőmérsékletét vette 100-nak. Mivel sem a leghidegebb danzigi tél, sem Fahrenheit testhőmérséklete nem egy reprodukálható fix hőmérséklet (pláne Fahrenheit halála óta), emiatt később könnyen reprodukálható dolgokhoz kötötte a skáláját, az alappontok így lettek a következő furcsa értékek:
- a víz fagyáspontja \(32\ \mathrm{{}^\circ F}\)
- a víz forráspontja \(212\ \mathrm{{}^\circ F}\)
Ha így skálázunk meg egy hőmérőt, akkor a \(100\ \mathrm{{}^\circ F}\) hőmérséklet nem az emberi belső testhőmérsékletnek azaz \(36,6\ \mathrm{^\circ C}\)-nak, hanem \(37,7\ \mathrm{{}^\circ C}\)-nak adódik, vagyis Fahrenheitnek a hőmérsékleti skáláját megalkotásakor hőemelkedése volt.
A Fahrenheit-skála jelentősége az, hogy az USA-ban a mai napig ezt használják a hétköznepi életben; minden más országban a Celsius-skála terjedt el, míg a tudományos életben az egész világon a Kelvin-skála használatos.
A Fahrenheit skála és a Celsius-skála közötti átváltás viszonylag bonyolult, mert
- a nullpontjaik is eltérnek, hiszen \(T=0\ \mathrm{{}^\circ C}=32\ \mathrm{{}^\circ F}\)
- és a lépésközük is eltérő: \(\mathit{\Delta}T=1\ \mathrm{{}^\circ C}=1,8\ \mathrm{{}^\circ F}\)
Az átváltási képlet Celsiusról Fahrenheitbe felírható az alapján, hogy a \(0\ \mathrm{{}^\circ C}\) az már eleve \(32\ \mathrm{{}^\circ F}\), és ha a Celsius-skálán lépünk valahányat, akkor az a Fahrenheit-skálán mindig 1,8-szor több lépéssel jár:
\[T_{\mathrm{F}}=1,8\cdot T_{\mathrm{C}}+32\]
Fahrenheitből Celsiusba átváltási egyenlet pedig a fentiből megkapható úgy, hogy kirendezzük belőle a Celsius-ban vett hőmérsékletet::
\[T_{\mathrm{C}}=\frac{T_{\mathrm{F}}-32}{1,8}\]
Ha a függőleges tengelyen a Fahrenhetiben vett hőmérséklet szerepel, a vízszintesen pedig a Celsius, akkor ezt kapjuk:
Ha pedig a függőleges tengelyen a Celsiusban vett hőmérséklet szerepel, a vízszintesen pedig a Fahrenheitben vett, akkor ezt így néz ki:
A Kelvin-skálával a gázok hőtágulásánál ismerkedünk meg.
Régebben rengeteg ötlet volt, hogy mik legyenek a hőmérsékleti skála alapponjai, még olyan furcsaságok is, mint "a frissen lőtt szarvas szívéből kibugyogó vér hőmérséklete". Ennek ugyan valóban van egy szakmai szempontú előnye, hogy télen-nyáron nagy pontossággal ugyanakkora hőmérsékletű (hiszen a homeosztázis jegyében az állandó testhőmérsékletű élőlények sikeresen stabilan tartják a belső hőmérsékletüket), de egy víz‑jég keverékhez képest lényegesen macerásabb előállítani.
A Rømer-skála
Elsőként 1701-ben egy Rømer nevű dán fizikus-csillagászban merült fel, hogy a hőmérséklet ne legyen negatív érték. Ezt úgy oldotta meg, hogy az akkoriban mesterségesen előállítható legalacsonyabb hőmérsékletet választotta a skáláján nullának. Mivel a mai hűtőgépek még nem léteztek, akkoriban hűtésre ún. hűtőkeverékeket használtak: darált jéghez különböző sókat kevertek (legegyszerűbb esetben \(\mathrm{NaCl}\) konyhasót). Ilyen módszerekkel akkoriban \((-15\ \mathrm{{}^\circ C})\) körüli hőmérsékleteket sikerült előállítani (később jöttek rá a legjobb aránra: \(100\ \mathrm{g}\) jég és \(33\ \mathrm{g}\) konyhasó keverékével \(-21,2\ \mathrm{^\circ C}\) is előállítható). Rømer a skálája másik fixpontjának a víz forráspontját választotta, és ahhoz a 60-as értéket rendelte, másképp fogalmazva a kettő közötti tartományt a hőmérője skálán 60 egyenlő részre oszotta. Később észrevette, hogy a víz fagyáspontja a skáláján lévő nulla és 60-as értékek között elég pontosan a nyolcadolópontban van, ezért (érezvén, hogy a víz fagyáspontja jobb alappontnak számít a hűtőkeveréknél, hiszen könnyen, stabilan előállítható), végül úgy definiálta a skáláját, hogy:
- 7,5 Rø a víz fagyáspontja \((0\ \mathrm{{}^\circ C})\)
- 60 Rø a víz forráspontja \((100\ \mathrm{{}^\circ C})\)
A Rømer-skálát ma már sehol nem használják, csupán tudománytörténeti a jelentősége, mint a legelső, használható hőmérsékleti skála.