kelwin

Jednostka fizyczna
Nazwa jednostki	kelwin
Symbol jednostki	${\ displaystyle \ mathrm {K}}$
Wielkość fizyczna (e)	Temperatura bezwzględna , różnica temperatur
Symbol formuły	${\ Displaystyle T, \, \ Delta T, \, \ Delta \ vartheta}$
wymiar	${\ displaystyle {\ mathsf {\ Theta}}}$
system	Międzynarodowy system jednostek
W jednostkach SI	Jednostka podstawowa
Nazwany po	Lord Kelvin
Zobacz też: stopnie Celsjusza

Kelvina (symbol jednostki: K ) to jednostka podstawowa SI od temperatury termodynamicznej , a jednocześnie w jednostce temperatury prawnej w Unii Europejskiej , Szwajcarii i prawie wszystkich innych krajach. Kelwin jest używany głównie w nauce i technologii do wskazywania temperatur i różnic temperatur.

Skala Kelvina jest przesunięta dokładnie o 273,15 K w stosunku do stopni Celsjusza (° C): Temperatura 0 ° C odpowiada 273,15 K; absolutny punkt zerowy oznacza 0 K (= -273,15 ° C). Wartość liczbowa różnicy temperatur w dwóch jednostkach kelwinów i stopniach Celsjusza jest taka sama.

Kelvin został nazwany na cześć Williama Thomsona, późniejszego Lorda Kelvina , który zaproponował termodynamiczną skalę temperatury w wieku 24 lat. Do 1967 roku nazwa jednostki brzmiała „Stopnie Kelvina”, a jej symbolem było ° K.

definicja

Termometr z kelwinami i stopniami Celsjusza . (Kościół Sint Stefans, Nijmegen , Holandia )

Kelwin jest definiowany przez stałą Boltzmanna . Zostało to ustawione na wartość w ramach rewizji Międzynarodowego Układu Jednostek w 2019 r .${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$${\ Displaystyle k _ {\ mathrm {B}} = 1,380 \, 649 \ cdot 10 ^ {- 23} \, \ mathrm {J} / \ mathrm {K}}$

Jeden kelwin to zmiana temperatury termodynamicznej T, która powoduje zmianę energii cieplnej k _B T o dokładnie 1.380 649,mi^-23 dżule.

Z tej definicji Kelvina jest definiowany niezależnie od materiałów i normalnych , ale zależy Joule'a w stacje bazowe m , kg i drugi (również jak określona przez stałe) i w ten sposób ostatecznie na trzech stałych , i . Wcześniej kelwin był definiowany przez temperaturę w punkcie potrójnym (ciało stałe / ciecz / gaz) wody. ${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$${\ Displaystyle \ Delta \ nu _ {\ mathrm {Cs}}}$${\ displaystyle h}$

Punkt zerowy skali Kelvina ( T = 0 K) znajduje się w absolutnym punkcie zerowym . Jednak zgodnie z prawem ciepła Nernsta temperatura ta nie jest ani mierzalna, ani osiągalna.

Relacja do stopnia Celsjusza

Skala Celsjusza temperatury jest zdefiniowana w taki sposób, że temperatura mierzona w stopniach Celsjusza jest przesunięta dokładnie o 273,15 w stosunku do temperatury w Kelwinach:

${\ Displaystyle \ mathrm {\ lewo \ {T \ prawo \} {} _ {K} = \ lewo \ {\ vartheta \ prawo \} _ {^ {\ circ} C} +273 {,} 15}}$

${\ Displaystyle \ mathrm {\ lewo \ {\ vartheta \ prawo \} {} _ {^ {\ circ} C} = \ lewo \ {T \ prawo \} _ {K} -273 {,} 15}}$

Dzięki tej definicji osiągnięto, że różnica między dwiema wartościami temperatury mierzonymi w kelwinach i stopniach Celsjusza jest liczbowo taka sama i może być stosowana w równym stopniu.

${\ Displaystyle {\ Frac {\ Delta \, T} {1 \, \ mathrm {K}}} = {\ Frac {\ Delta \, \ vartheta} {1 \, ^ {\ Circ} \ mathrm {C} }}}$.

Przy tej definicji punkty zamarzania i wrzenia wody w normalnych warunkach ( ciśnienie 101,325  kPa ) wynoszą prawie dokładnie 0 ° C (273,15 K) i 100 ° C (373,15 K).

historia

Do 2018 roku: Oddzielna skala temperatury

Absolutnym skalę temperatury z wartości 0 w zera absolutnego został zaproponowany przez William Thomson (1 Baron Kelvina ) w 1848 roku . Podziały tej skali temperatury miały początkowo oznaczenie ° A (bezwzględne). Zdefiniowano w ten sposób, że różnice temperatur miały taką samą wartość liczbową jak na skali Celsjusza, która z kolei ma punkt zamarzania (0 ° C) i wrzenia (100 ° C) wody jako punkty stałe. W rezultacie skala absolutna i skala Celsjusza zostały przesunięte względem siebie o stałą wartość. (Inną bezwzględną skalą temperatury jest skala Rankine'a , która jest oparta na skali Fahrenheita ).

W 1948 r. 9.  Konferencja Generalna ds. Miar i Wag (CGPM) ustaliła, że ​​absolutna skala termodynamiczna powinna mieć punkt potrójny wody jako jedyny podstawowy punkt stały. Przede wszystkim silna zależność temperatury wrzenia od ciśnienia powietrza utrudniała kalibrację z wykorzystaniem poprzednich punktów stałych. Z drugiej strony punkt potrójny był łatwo i wyraźnie odtwarzalny. Zgodnie z nową definicją, punkt zerowy skali Celsjusza (nazywanej wówczas po angielsku skalą setną ) powinien znajdować się dokładnie 0,01 stopnia poniżej niej. W oczekiwaniu na przyszłą nazwę jednostki, symbol ° K został określony jako „stopień bezwzględny”. Ponieważ różnice temperatur określone jako temperatura bezwzględna i temperatura w stopniach Celsjusza mają tę samą wartość liczbową, należy dla nich stosować „neutralne” oznaczenie jednostkowe „stopień” (deg).

W 1954 roku CGPM zdefiniował kelwin w formie ważnej do 19 maja 2019 roku i ogłosił ją jednostką bazową. To również dało nową definicję stopniowi Celsjusza. Początkowo nazwa brzmiała „Stopnie Kelvina (° K)” i została zmieniona na „Kelwin (K)” w 1967 roku. Od tego czasu definicja brzmi:

„Kelwin, jednostka temperatury termodynamicznej, to 273,16-ta część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody” .

Jednocześnie zastrzeżono, że różnice temperatur powinny być również podawane w kelwinach (a nie w stopniach), chociaż termin „stopnie Celsjusza”, który jest synonimem „kelwinów”, jest również dozwolony dla temperatur Celsjusza.

W 2007 roku dodano, że powinna to być woda (oczywiście czysta chemicznie) o składzie izotopowym typowej wody oceanicznej. Metody pomiarowe stały się na tyle precyzyjne, że wpływ składu izotopowego na punkt potrójny wody (około 10 mK) stał się istotny.

Ponieważ temperatura punktu potrójnego do kalibracji przyrządów do pomiaru temperatury dla innych zakresów temperatur była nieporęczna, ITS-90 („International Temperature Scale of 1990”) został utworzony w 1990 roku . Rejestruje kilka wartości odniesienia rozłożonych w szerokim zakresie temperatur, na przykład dobrze określone temperatury topnienia; punkt potrójny wody jest tu również centralnym punktem odniesienia.

Od 2019: podłączenie do energii cieplnej

Temperatura termodynamiczna jest wprost proporcjonalna do energii cieplnej , ze stałą Boltzmanna jako współczynnikiem proporcjonalności. Dopóki jednostki energii (Joule) i temperatury (Kelvin) były definiowane niezależnie od siebie, stałą Boltzmanna trzeba było wyznaczyć eksperymentalnie. Pomiary te z czasem stawały się coraz dokładniejsze i ostatecznie osiągnęły precyzję realizacji Kelvina nad potrójnym punktem wody. Oznaczało to, że istnienie dwóch konkurujących definicji nie może być dłużej uzasadnione. Stałej Boltzmanna przypisano stałą wartość w jednostce J / K, a Kelvin został w ten sposób powiązany bezpośrednio z Joule. Wartość stałej Boltzmanna, która od tamtej pory jest jedynie współczynnikiem skalującym zdefiniowanym przez konwencję, wybrano tak, aby nowy Kelvin pasował jak najbliżej starego. Zmiana ta weszła w życie wraz z rewizją Międzynarodowego Układu Jednostek w dniu 20 maja 2019 r.

symbol

Symbolem jednostki miary jest duża litera „ K ”. Standard Unicode w bloku Unicode „Symbole podobne do liter” również zawiera symbol , ale tylko ze względu na kompatybilność. Konsorcjum Unicode wyraźnie odradza jej stosowanie.U+212A KELVIN SIGN

Użycie przedrostków SI dla wielokrotności (kilo-, mega-, ...) jest niezwykłe dla kelwinów. MK, µK i nK są używane jako ułamki Kelvina.

Relacje z innymi jednostkami

Kelwin jako miara energii

Często ważne jest, aby wiedzieć, czy barierę energetyczną można pokonać wyłącznie na podstawie fluktuacji termicznych. Prawdopodobieństwo pokonania bariery określa rozkład Boltzmanna : ${\ displaystyle \ Delta E}$

${\ Displaystyle W (E) \ sim \ exp \ lewo (- {\ Frac {\ Delta E} {k _ {\ mathrm {B}} T}} \ prawo) \,.}$

W rzeczywistości bariera nigdy nie jest przezwyciężana, łatwo ją pokonać, a przy barierze praktycznie nie jest dostrzegana. ${\ Displaystyle \ Delta E \ gg k _ {\ mathrm {B}} T}$${\ displaystyle \ Delta E = k _ {\ mathrm {B}} T}$${\ Displaystyle \ Delta E \ ll k _ {\ mathrm {B}} T}$

Ze względu na prostotę energie często podaje się w kelwinach, a temperatury w jednostkach energetycznych, takich jak dżule lub elektronowolty (eV). Współczynniki konwersji są zatem następujące:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {tablicę} {rcllcccrcll} 1 \ \ mathrm {K} & {\ widehat {=}} i 8 {,} 617 \ cdot 10 ^ {- 5} \ \ \ mathrm {eV} &&& 1 \, \ mathrm {eV} & {\ widehat {=}} & 1 {,} 160 \ cdot 10 ^ {4} \, \ mathrm {K} \\ 1 \, \ mathrm {K} & {\ widehat {=}} & 1 {,} 381 \ cdot 10 ^ {- 23} \, \ mathrm {J} &&& 1 \, \ mathrm {J} & {\ widehat {=}} & 7 {,} 243 \ cdot 10 ^ {22} \, \ mathrm {K} \\\ end {tablica}}}$

Należy to zilustrować na przykładzie cząsteczki wodoru : energia obrotowa i energia drgań atomów wodoru względem siebie są kwantowane , tj. H. mogą przyjmować tylko wartości dyskretne. Aby przekształcić cząsteczkę ze stanu nieobrotowego do stanu najwolniej rotującego, potrzebna jest energia 15 meV, co odpowiada 174 K. Wodór obraca się znacznie w temperaturze pokojowej. Dla pierwszego stanu oscylacji wymagane jest 516 meV, co odpowiada 5980 K. Cząsteczki wodoru zaczynają wibrować dopiero w bardzo wysokich temperaturach.

Konwersja na inne skale temperatur

Temperatury w Kelwinach można dokładnie przeliczyć za pomocą równania numerycznego w następujący sposób:

Stopień Celsjusza :		${\ Displaystyle \ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} C}} = \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} -273 {,} 15}$		${\ Displaystyle \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} = \ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} C}} +273 {,} 15}$
Stopień Fahrenheita :		${\ Displaystyle \ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} F}} = \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} \ cdot {\ tfrac {9 } {5}} - 459 {,} 67}$		${\ Displaystyle \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} = (\ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} F}} + 459 {,} 67 ) \ cdot {\ tfrac {5} {9}}}$
Stopień Rankine'a :		${\ Displaystyle \ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} Ra}} = \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} \ cdot {\ tfrac {9 } {5}}}$		${\ Displaystyle \ lewo \ {T \ prawo \} _ {\ mathrm {K}} = \ lewo \ {t \ prawo \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} Ra}} \ cdot {\ tfrac {5 } {9}}}$

Punkty stałe

Stałe punkty, w których skale zostały pierwotnie zdefiniowane, są podświetlane kolorem i dokładnie konwertowane na inne skale. Dziś stracili swoją rolę jako punkty stałe i są tylko przybliżone. Tylko bezwzględny punkt zerowy nadal ma dokładnie określone wartości.

linki internetowe

• Jednostka podstawowa SI: kelwin (K). BIPM , dostęp 12 kwietnia 2021 r. (Angielskie brzmienie definicji Kelvina). 
• Zasoby internetowe dotyczące międzynarodowej skali temperatur (ITS) z 1990 r. - punkt potrójny wody (angielski)
• Kelvin - Szwajcarski Federalny Urząd Metrologii METAS
• Ponowne wyznaczenie stałej Boltzmanna k w celu przedefiniowania podstawowej jednostki Kelvin - PTB

Indywidualne dowody

1. ↑ ^{a b} Kelvin. PTB, 20 lutego 2019, dostęp 13 kwietnia 2019 .  
2. ^ ^{A b} Rezolucja 1 26. CGPM. W sprawie rewizji Międzynarodowego Układu Jednostek (SI). Bureau International des Poids et Mesures , 2018, dostęp 12 kwietnia 2021 .  
3. ↑ ^{a b} Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser: Ile energii jest w temperaturze? Określenie stałej Boltzmanna , PTB-Mitteilungen 126 (2016), Heft 2, S. 94, online
4. ↑ Zobacz definicje metra, kilograma i sekundy
5. ↑ Jednostka podstawowa SI: kelwin (K). W: bipm.org. Bureau International des Poids et Mesures , dostęp 12 kwietnia 2021 .  
6. ↑ On an Absolute Thermometric Scale opartej na Carnot's Theory of Motive Power of Heat i obliczonej na podstawie Regnault's Observations , William Thomson, Philosophical Magazine, październik 1848 ( online )
7. ^ Rezolucja 3 9. CGPM. Punkt potrójny wody; skala termodynamiczna z jednym stałym punktem; jednostka ilości ciepła (dżul). Bureau International des Poids et Mesures , 1948, dostęp 12 kwietnia 2021 .  
8. ^ ^{A b} Rezolucja 7 z 9. CGPM. Pisanie i drukowanie symboli i liczb jednostek. Bureau International des Poids et Mesures , 1948, obejrzano 12 kwietnia 2021 .  
9. ^ Rezolucja 3 10. CGPM. Definicja termodynamicznej skali temperatury. Bureau International des Poids et Mesures , 1954, obejrzano 12 kwietnia 2021 .  
10. ^ Rezolucja 6 10. CGPM. Praktyczny system jednostek. Bureau International des Poids et Mesures , 1954, obejrzano 12 kwietnia 2021 .  
11. ^ ^{A b} Rezolucja 3 13. CGPM. Jednostka SI temperatury termodynamicznej (kelwin). Bureau International des Poids et Mesures , 1967, dostęp 12 kwietnia 2021 .  
12. ^ Rezolucja 4 13. CGPM. Definicja jednostki temperatury termodynamicznej w układzie SI (kelwin). Bureau International des Poids et Mesures , 1967, dostęp 12 kwietnia 2021 .  
13. ^ Rezolucja 10 23. CGPM. Wyjaśnienie definicji kelwina, jednostki temperatury termodynamicznej. Bureau International des Poids et Mesures , 2007, dostęp 12 kwietnia 2021 .  
14. ↑ "Należy mieć jasność co do faktu, że stała Boltzmanna [...] nie jest rzeczywistą naturalną stałą tego rodzaju, na przykład stałe struktury drobnoziarnistej lub elementarny ładunek elektryczny, ale jedynie współczynnik skali, który jest określony w ramach obecnego [2007] Międzynarodowego Układu Jednostek (SI) jest konieczny tylko dlatego, że definiuje Kelvina jako jednostkę podstawową za pomocą punktu potrójnego wody, niezależną od innych jednostek podstawowych (zwłaszcza metrów, sekund i kilogramy). To pośrednio wprowadza dodatkową własną jednostkę energii cieplnej kT oprócz dżula (zdefiniowanego jako praca 1 Newton × 1 metr), jednostki energii w układzie SI. ”, Bernd Fellmuth, Wolfgang Buck, Joachim Fischer, Christof Gaiser, Joachim Seidel: Nowa definicja jednostki podstawowej Kelvin , PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 3, s. 287, online
15. ↑ Wyznaczona stała Boltzmanna. (PDF) W: PTB News 2/2017. Maj 2017, obejrzano 13 kwietnia 2019 .  
16. ↑ Jako warunek wstępny redefinicji ustalono, że 1) stałą Boltzmanna można wyznaczyć z dokładnością do ^10-6 oraz 2) stosuje się dwie zasadniczo różne metody, każda z dokładnością do 3mi^-6 mają. Patrz protokół z 26. CGPM,strona 167(językfrancuski) lubstrona 433(język angielski)
17. ↑ Konsorcjum Unicode: Standard Unicode, wersja 10.0. (PDF) 2017, s. 785 , dostęp 26 lutego 2018 r. (Angielski).