import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# --- 温度変換関数 ---
def kelvin_to_celsius(T_K):
    return T_K - 273.15

def kelvin_to_fahrenheit(T_K):
    return 9/5 * T_K - 459.67

def celsius_to_kelvin(T_C):
    return T_C + 273.15

def celsius_to_fahrenheit(T_C):
    return 9/5 * T_C + 32

def fahrenheit_to_celsius(T_F):
    return 5/9 * (T_F - 32)

def fahrenheit_to_kelvin(T_F):
    return 5/9 * (T_F - 32) + 273.15

# --- 変換表の表示 ---
print("=== 温度変換表 ===")
print(f"{'ケルビン [K]':>14} {'セルシウス [°C]':>16} {'ファーレンハイト [°F]':>20}")
print("-" * 54)
for T_K in [0, 77, 100, 273.15, 293.15, 310.15, 373.15, 5778]:
    T_C = kelvin_to_celsius(T_K)
    T_F = kelvin_to_fahrenheit(T_K)
    print(f"{T_K:14.2f} {T_C:16.2f} {T_F:20.2f}")

fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(16, 5))

# --- (1) 温度スケールの比較 ---
T_K = np.linspace(0, 500, 300)
T_C = kelvin_to_celsius(T_K)
T_F = kelvin_to_fahrenheit(T_K)

axes[0].plot(T_K, T_K, 'r-', linewidth=2, label='Kelvin [K]')
axes[0].plot(T_K, T_C, 'b-', linewidth=2, label='Celsius [°C]')
axes[0].plot(T_K, T_F, 'g-', linewidth=2, label='Fahrenheit [°F]')
axes[0].axhline(y=0, color='k', linewidth=0.5, linestyle='--')
axes[0].axvline(x=273.15, color='gray', linewidth=0.5, linestyle='--', alpha=0.5)
axes[0].set_xlabel('Kelvin [K]')
axes[0].set_ylabel('Temperature')
axes[0].set_title('Temperature Scale Comparison')
axes[0].legend()
axes[0].grid(True, alpha=0.3)

# --- (2) 気体温度計の原理 ---
# 一定体積でのp vs Tの関係（外挿して絶対零度を見つける）
T_C_range = np.linspace(-300, 200, 300)
T_K_range = T_C_range + 273.15
n_gases = 3
labels = ['He', '$N_2$', '$CO_2$']
colors = ['blue', 'red', 'green']

for i in range(n_gases):
    # 圧力は温度に比例（理想気体近似）
    # 気体ごとに定数が異なる（物質量・体積の違い）
    p0 = 1.0 + 0.3 * i  # 基準圧力を変える
    p = p0 * T_K_range / 273.15
    # 正の温度範囲のみプロット
    mask = T_K_range > 0
    axes[1].plot(T_C_range[mask], p[mask], color=colors[i], linewidth=2, label=labels[i])
    # 外挿（点線）
    axes[1].plot(T_C_range[~mask], p[~mask], color=colors[i], linewidth=1, linestyle='--', alpha=0.5)

axes[1].axvline(x=-273.15, color='k', linewidth=2, linestyle='-', label='絶対零度')
axes[1].axhline(y=0, color='k', linewidth=0.5)
axes[1].set_xlabel('Temperature [°C]')
axes[1].set_ylabel('Pressure $p$ [atm]')
axes[1].set_title('Gas Thermometer (Constant Volume)')
axes[1].legend()
axes[1].grid(True, alpha=0.3)
axes[1].set_xlim(-350, 250)

# --- (3) セルシウスとファーレンハイトの交点 ---
T_C_plot = np.linspace(-100, 200, 300)
T_F_plot = celsius_to_fahrenheit(T_C_plot)

axes[2].plot(T_C_plot, T_F_plot, 'b-', linewidth=2, label='$T_F = \\frac{9}{5}T_C + 32$')
axes[2].plot(T_C_plot, T_C_plot, 'r--', linewidth=1, label='$T_F = T_C$')
# 交点: T_C = 9/5 * T_C + 32 → -4/5 * T_C = 32 → T_C = -40
axes[2].plot(-40, -40, 'ko', markersize=8, zorder=5)
axes[2].annotate('$T_C = T_F = -40$', (-40, -40),
                textcoords="offset points", xytext=(15, 15), fontsize=11,
                arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='black'))
axes[2].set_xlabel('Celsius [°C]')
axes[2].set_ylabel('Fahrenheit [°F]')
axes[2].set_title('Celsius vs Fahrenheit')
axes[2].legend()
axes[2].grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.savefig('temperature_thermal_equilibrium.png', dpi=150, bbox_inches='tight')
plt.show()