Кельвин , символ К , является единицей измерения температуры . [1] Шкала Кельвина представляет собой абсолютную шкалу , которая определяется таким образом, что 0 К представляет собой абсолютный ноль , а изменение термодинамической температуры T на 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии kT на 1,380 649 × 10 -23 Дж . Постоянная Больцмана k = 1,380 649 × 10 -23 Дж⋅К -1 было точно определено в переопределении основных единиц СИ в 2019 году, так что тройная точка воды равна273,16 ± 0,0001 К. [2] Кельвин — это базовая единица измерения температуры в Международной системе единиц (СИ), используемая наряду с ее префиксными формами . [2] [3] [4] Он назван в честь уроженца Белфаста и инженера и физика из Университета Глазго Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина (1824–1907). [5]
Исторически шкала Кельвина была разработана на основе шкалы Цельсия , так что 273,15 К составляла 0 °C (приблизительная точка плавления льда ), а изменение на один Кельвин было точно равно изменению на один градус Цельсия . [1] [5] Это соотношение остается точным, но шкалы Цельсия, Фаренгейта и Рэнкина теперь определяются в терминах шкалы Кельвина. [2] [6] [7] Кельвин является основной единицей измерения температуры в инженерных и физических науках , в то время как в большинстве стран шкала Цельсия остается доминирующей шкалой за пределами этих областей. [5] В Соединенных Штатах, за пределами физических наук, преобладает шкала Фаренгейта , при этом для абсолютной температуры используется шкала Кельвина или Ренкина . [6]
В 18 веке были разработаны несколько температурных шкал , [8] в частности, по Фаренгейту и по Цельсию (позже по Цельсию ). Эти шкалы предшествовали большей части современной науки термодинамики , включая атомную теорию и кинетическую теорию газов , которые лежат в основе концепции абсолютного нуля. Вместо этого они выбрали определяющие точки в пределах человеческого опыта, которые можно было легко и с достаточной точностью воспроизвести, но которые не имели какого-либо глубокого значения для теплофизики. В случае шкалы Цельсия (а также давно несуществующей шкалы Ньютона и шкалы Реомюра ) такой отправной точкой служила точка плавления воды , при этом Цельсий определялся с 1740- х по 1940-е годы путем калибровки термометра так, что
Это определение предполагает наличие чистой воды при определенном давлении , приближенном к естественному давлению воздуха на уровне моря . Таким образом, приращение на 1 °C равно1/100разницы температур между точками плавления и кипения. Тот же температурный интервал позже был использован для шкалы Кельвина.
С 1787 по 1802 год Жак Шарль (неопубликовано), Джон Дальтон [9] [10] и Жозеф Луи Гей-Люссак [11] установили , что при постоянном давлении идеальные газы расширяются или сжимаются в объеме линейно ( закон Шарля ) примерно на 1/273 части на градус Цельсия при изменении температуры вверх или вниз в диапазоне от 0 °C до 100 °C. Это предполагало, что объем газа, охлажденного примерно до -273 ° C, достигнет нуля.
В 1848 году Уильям Томсон, который позже был удостоен звания лорда Кельвина , опубликовал статью «Об абсолютной термометрической шкале» . [12] [13] [14] Используя теорию калорийности , которая вскоре прекратит свое существование , он предложил «абсолютную» шкалу, основанную на следующих параметрах:
«Произвольные точки, совпадающие на двух шкалах, равны 0° и 100°».
«Характерным свойством шкалы, которую я сейчас предлагаю, является то, что все градусы имеют одно и то же значение, т. е. что единица теплоты, нисходящая от тела А при температуре Т ° этой шкалы к телу В при температуре ( T − 1)°, будет давать один и тот же механический эффект, каким бы ни было число T. Эту шкалу по праву можно назвать абсолютной, поскольку ее характеристика совершенно не зависит от физических свойств какого-либо конкретного вещества».
Поскольку в современной термодинамике теорема Карно понимается как просто описывающая максимальную эффективность , с которой тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию , а прогнозируемая максимальная эффективность является функцией отношения между абсолютными температурами источника тепла и радиатора:
Отсюда следует, что приращения на одинаковое количество градусов по этой шкале всегда должны представлять собой одинаковое пропорциональное увеличение абсолютной температуры. Числовое значение абсолютной температуры T по шкале 1848 года связано с абсолютной температурой плавления воды T mpw и абсолютной температурой кипения воды T bpw соотношением
В этом масштабе увеличение на 222 градуса всегда означает приблизительное удвоение абсолютной температуры независимо от начальной температуры.
В сноске Томсон рассчитал, что «бесконечный холод» ( абсолютный ноль , который имел бы числовое значение отрицательной бесконечности в этой шкале) был эквивалентен -273 ° C, используя воздушные термометры того времени. Это значение «-273» было отрицательным обратным значением 0,00366 — принятого коэффициента теплового расширения идеального газа на градус Цельсия относительно точки льда, что придавало замечательную последовательность принятому в настоящее время значению. [15]
В течение десятилетия Томсон отказался от теории теплорода и заменил шкалу 1848 года новой [13] [16], основанной на двух особенностях, которые будут характеризовать все будущие версии шкалы Кельвина:
В 1892 году Томсону был присвоен дворянский титул 1-го барона Кельвина Ларгса , или, более кратко, лорда Кельвина. Это название было отсылкой к реке Кельвин , протекающей по территории Университета Глазго.
В первые десятилетия 20-го века шкалу Кельвина часто называли шкалой «абсолютного Цельсия », указывая градусы Цельсия, отсчитываемые от абсолютного нуля, а не от точки замерзания воды, и используя тот же символ для обычных градусов Цельсия, °C. [а]
В 1873 году старший брат Уильяма Томсона Джеймс ввёл термин «тройная точка» [17] для описания сочетания температуры и давления , при котором твердая, жидкая и газовая фазы вещества способны сосуществовать в термодинамическом равновесии . Хотя любые две фазы могут сосуществовать в диапазоне комбинаций температуры и давления (например, на температуру кипения воды можно существенно повлиять повышением или понижением давления), условие тройной точки для данного вещества может возникнуть только при одном давлении и только при одной температуре. К 1940-м годам экспериментально измеренная тройная точка воды составляла около 0,6% стандартного атмосферного давления и очень близко к 0,01 ° C согласно историческому определению Цельсия, которое тогда использовалось.
В 1948 году шкала Цельсия была перекалибрована, присвоив температуре тройной точки воды значение ровно 0,01 °C [18] и позволив температуре плавления при стандартном атмосферном давлении иметь эмпирически определенное значение (и фактическую точку плавления при атмосферном давлении иметь колеблющееся значение), близкое к 0 °C. Это было оправдано тем, что тройная точка считалась более точно воспроизводимой эталонной температурой, чем точка плавления. [19] Тройную точку можно измерить с точностью ±0,0001 °C, а температуру плавления — с точностью ±0,001 °C. [18]
В 1954 году, когда экспериментально было установлено, что абсолютный ноль составляет около -273,15 °C согласно используемому тогда определению °C, Резолюция 3 10-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) ввела новую международно стандартизированную шкалу Кельвина, которая определяла тройная точка равна ровно 273,15 + 0,01 = 273,16 градуса Кельвина. [20] [21]
В 1967/1968 году Резолюция 3 13-й ГКМВ переименовала единицу приращения термодинамической температуры в «кельвин», символ К, заменив «градус Кельвина», символ °К. [22] [23] [24] 13-я ГКМВ также постановила в Резолюции 4, что «Кельвин, единица термодинамической температуры, равен дроби1/273,16термодинамической температуры тройной точки воды». [4] [25] [26]
После переопределения метра в 1983 году кельвин, секунда и килограмм остались единственными единицами СИ, не определяемыми по отношению к какой-либо другой единице.
В 2005 году, отметив, что на тройную точку может влиять изотопное соотношение водорода и кислорода, составляющих пробу воды, и что это «теперь является одним из основных источников наблюдаемой изменчивости между различными реализациями тройной точки воды», Международный комитет мер и весов (CIPM), комитет CGPM, подтвердил, что для целей определения температуры тройной точки воды определение кельвина будет относиться к воде, имеющей изотопный состав, указанный для Венского стандарта. Средняя океанская вода . [4] [27] [28]
В 2005 году CIPM начал программу по переопределению кельвина (наряду с другими единицами СИ) с использованием более строгого экспериментального метода. В частности, комитет предложил переопределить кельвин так, чтобы постоянная Больцмана принимала точное значение.1,380 6505 × 10 −23 Дж/К . [29] Комитет надеялся, что программа будет завершена к моменту ее принятия ГКМВ на заседании 2011 года, но на заседании 2011 года решение было отложено до заседания 2014 года, когда она будет рассматриваться как часть более широкой программы . . [30]
Переопределение было отложено в 2014 году в ожидании более точных измерений постоянной Больцмана в рамках текущего определения [31] , но окончательно было принято на 26-м заседании CGPM в конце 2018 года со значением k = 1,380 649 × 10 -23 Дж⋅К -1 . [32] [29] [1] [2] [4] [33]
Для научных целей главное преимущество состоит в том, что это позволяет проводить более точные измерения при очень низких и очень высоких температурах, поскольку используемые методы зависят от постоянной Больцмана. У него также есть то философское преимущество, что он не зависит от какой-либо конкретной субстанции. Единица Дж/К равна кг⋅м 2 ⋅с −2 ⋅К −1 , где килограмм , метр и секунда определяются через постоянную Планка , скорость света и продолжительность существования цезия-133. сверхтонкий переход в основное состояние соответственно. [2] Таким образом, это определение зависит только от универсальных констант , а не от каких-либо физических артефактов, как это практиковалось ранее. Задача заключалась в том, чтобы избежать снижения точности измерений вблизи тройной точки. Для практических целей переопределение осталось незамеченным; вода по-прежнему замерзает при температуре 273,15 К (0 °C), [2] [34] , а тройная точка воды продолжает оставаться широко используемой лабораторной эталонной температурой.
Разница в том, что до переопределения тройная точка воды была точной, а константа Больцмана имела измеренное значение1,380 649 03 (51) × 10 −23 Дж/К , с относительной стандартной неопределенностью3,7 × 10 -7 . [35] После этого константа Больцмана становится точной, и неопределенность переносится на тройную точку воды, которая теперь273.1600(1) К.
Новое определение официально вступило в силу 20 мая 2019 года, в 144-ю годовщину Метрической конвенции . [33] [1] [2] [4]
Кельвин часто используется как мера цветовой температуры источников света. Цветовая температура основана на принципе, согласно которому излучатель черного тела излучает свет с частотным распределением, характерным для его температуры. Черные тела при температуре ниже о4000 К кажутся красноватыми, тогда как температуры выше примерно7500 К кажутся голубоватыми. Цветовая температура важна в области проекции изображений и фотографии , где цветовая температура составляет примерноДля соответствия пленочным эмульсиям «дневного света» требуется 5600 К. В астрономии звездная классификация звезд и их место на диаграмме Герцшпрунга-Рассела частично основана на температуре их поверхности, известной как эффективная температура . Фотосфера Солнца , например, имеет эффективную температуру5772 K [1][2][3][4] в соответствии с Резолюцией B3 МАС 2015 г.
Цифровые камеры и программное обеспечение для фотосъемки часто используют цветовую температуру в K в меню редактирования и настройки. Простое объяснение заключается в том, что более высокая цветовая температура создает изображение с улучшенными оттенками белого и синего. Снижение цветовой температуры приводит к тому, что в изображении преобладают красноватые, «более теплые» цвета .
В электронике кельвин используется как индикатор того, насколько шумна схема по отношению к предельному уровню шума , то есть шумовой температуре . Так называемый шум Джонсона-Найквиста дискретных резисторов и конденсаторов представляет собой тип теплового шума, полученный на основе постоянной Больцмана, и может использоваться для определения шумовой температуры схемы с использованием формул Фрииса для шума .
Единственная производная единица системы СИ, имеющая особое название, происходящее от кельвина, — это градус Цельсия. Как и другие единицы СИ, кельвин также можно изменить, добавив метрический префикс , который умножает его на 10 :
Согласно соглашению СИ, кельвин никогда не упоминается и не пишется как градус . Слово «кельвин» не пишется с заглавной буквы, когда используется в качестве единицы измерения. При необходимости оно преобразуется во множественное число (например, «на улице 283 Кельвина», в отличие от «50 градусов по Фаренгейту» или «10 градусов по Цельсию»). [36] [37] [38] Символ единицы K — заглавная буква. [22] При упоминании лорда Кельвина [5] или шкалы Кельвина принято писать с заглавной буквы . [39]
Символ единицы K кодируется в Юникоде в кодовой точке U+212A K KELVIN SIGN . Однако это символ совместимости , предусмотренный для совместимости с устаревшими кодировками. Стандарт Unicode рекомендует использовать вместо этого U+004B K ЛАТИНСКУЮ ЗАГЛАВНУЮ БУКВУ K ; то есть нормальный капитал К. «Три буквоподобных символа получили каноническую эквивалентность обычным буквам: U+2126 Ω ЗНАК ОМА , U+212A K ЗНАК КЕЛЬВИНА и U+212B Å ЗНАК АНГСТРОМА . Во всех трех случаях следует использовать обычную букву». [40]
Если мы продвинем строгий принцип градуировки, изложенный выше, достаточно далеко, мы должны прийти к точке, соответствующей уменьшению объема воздуха до нуля, что будет отмечено как -273° шкалы (-100/·366,0). если ·366 — коэффициент расширения);
и, следовательно, -273° воздушного термометра — это точка, которой нельзя достичь ни при какой конечной температуре, какой бы низкой она ни была.
и, следовательно, три кривые встретились бы или пересеклись друг с другом в одной точке, которую я назвал тройной
точкой
.
Dunkelleuchtdichte. […] Unter Zugrundelegung dieser Empfindlichkeitskurve шляпный человек 1940 года в Германии die Dunkelleuchtdichte mit der Einheit Skot (sk) so festgesetzt, daß bei einem Licht der Farbtemperatur 2360 ° K 1 sk = 10 −3 asb позолота. 1948 год — это Международная Белеухтунгская Комиссия (IBK) с безуглеродической температурой при 2046 °K, с температурой платины , festgesetzt worden. Die Bezeichnung Skot wurde von der IBK nicht übernommen, dafür soll "skotopisches Stilb" gesagt werden. Als höchstzulässiger Grenzwert für die Dunkelleuchtdichte ist in Deutschland 10 Skot festgesetzt worden, um eine Verwendung der Dunkelleuchtdichte im Gebiet des gemischten Zapfen - und Stäbchensehens zu vermeiden, da in diesem Bereich die photometrischen Maßgrößen wegen der all mählich gleitenden Augenempfindlichkeitskurve ihren Sinn verlieren. […] Skot, abgek[ürzt] sk, Einheit für die Dunkelleuchtdichte, welche für zahlenmäßige Angaben und zum Anschluß der Dunkelleuchtdichte an die Normale Leuchtdichte 1940 von der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft [ geschaffen wurde. Für diesen Anschluß wurde die Strahlung des schwarzen Körpers при T = 2360 °K, dh eine Strahlung der Farbtemperatur T 1 = 2360 °K vereinbart. Eine Lichtquelle strahlt mit der Dunkelleuchtdichte 1 sk, wenn sie photometrisch gleich einer Strahlung der Farbtemperatur T 2 = 2360 °K und der Leuchtdichte von 10 −3 asb (Apostilb) ist. Температура Bei der Farbtemperatur T 1 = 2360 °K, позолота также умирает. Соотношение: 1 sk = 10 −3 asb = 10 −7 /π sb.
[Директор BIPM Мартин] Милтон ответил на вопрос о том, что произойдет, если... CIPM или CGPM проголосуют за отказ от пересмотра определения SI.
Он ответил, что, по его мнению, к тому времени решение двигаться вперед следует рассматривать как предрешенное решение.
