Ке́львин (русское обозначение: К; международное: K) — единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. Определяется через значение постоянной Больцмана: 1,380649 × 10 -23 Дж / К. До 2019 года определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [1] . Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.

t C = t K − 273 , 15 <displaystyle t_=t_-273,15> (температура тройной точки воды +0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин [en] , протекающей через территорию университета Глазго.

До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина [2] .

Содержание

История [ править | править код ]

1848 [ править | править код ]

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» («On an Absolute Thermometric Scale») пишет о необходимости шкалы, нулевая точка которой будет соответствовать предельной степени холода (абсолютному нулю), а ценой деления будет градус Цельсия [3] . Эта абсолютная шкала на сегодняшний день известна как термодинамическая шкала Кельвина. Значение «минус 273» было получено как обратное от 0,00366 — коэффициента расширения газа на градус Цельсия.

1954 [ править | править код ]

Третья резолюция Х Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) дала шкале Кельвина современное определение, взяв температуру тройной точки воды в качестве второй опорной точки и приняв, что её значение составляет ровно 273,16 кельвина («градуса Кельвина» в терминологии того времени) [4] .

1967/1968 [ править | править код ]

В соответствии с третьей резолюцией XIII Генеральной конференции по мерам и весам единица измерения термодинамической шкалы была переименована в «кельвин», а обозначением стал «К» (ранее единица называлась «градус Кельвина», её обозначением был «°K»). Кроме того величина единицы была определена более явно — как равная 1/273,16 тройной точки воды [5] .

2005 [ править | править код ]

В обязательном Техническом приложении к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90 Консультативный комитет по термометрии установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды [6] . Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:

  • 0,000 155 76 моля 2 H на один моль 1 Н
  • 0,000 379 9 моля 17 О на один моль 16 О
  • 0,002 005 2 моля 18 О на один моль 16 О [7] .

2018 [ править | править код ]

На 26-ой генеральной конференции по мерам и весам была принята резолюция о значительном переопределении основных единиц СИ, которое, в частности включало в себя переопределение кельвина через значение постоянной Больцмана, которая равна 1,380649 × 10 -23 Дж / К.

Произошедшее переопределение [ править | править код ]

Недостатком старого определения кельвина являлось то, что при практической реализации величина кельвина оказывалась зависящей от чистоты и изотопного состава используемой воды. Исходя из стремления устранить этот недостаток, XXIV ГКМВ, состоявшаяся 17—21 октября 2011 года, приняла резолюцию [8] , в которой, в частности, было предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить кельвин, связав его величину со значением постоянной Больцмана. При этом предполагалось, что значение постоянной Больцмана будет зафиксировано, то есть будет считаться определённым точно. В связи с этим в резолюции XXIV ГКМВ по поводу кельвина сформулировано [8] :

Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,380 6X⋅10 −23 , когда она выражена единицей СИ м 2 ·кг·с −2 ·К −1 , что эквивалентно Дж·К −1 .

Таким образом, стало выполняться точное равенство k =1,380 6X⋅10 −23 Дж/К [9] . Следствием этого явилось то, что кельвин стал равным изменению температуры, которое приводит к изменению энергии, приходящейся на одну степень свободы k T 2 <displaystyle <frac <2>>> на k⁄2, то есть на ½⋅1,380 6X⋅10 −23 Дж.

В своей резолюции XXIV ГКМВ отметила также, что непосредственно после переопределения кельвина температура тройной точки воды останется равной 273,16 К, но при этом её значение приобретёт погрешность и в дальнейшем будет определяться экспериментально [8] .

Читайте также:  Как сшить шторы на петлях своими руками

XXV ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение кельвина, и наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую редакцию Международной системы единиц (СИ) обновлённым вариантом на XXVI ГКМВ в том же году [10] .

Кратные и дольные единицы [ править | править код ]

В соответствии с полным официальным описанием СИ, содержащемся в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI , англ. The SI Brochure ), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ), десятичные кратные и дольные единицы кельвина образуются с помощью стандартных приставок СИ [11] . «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в РФ тех же приставок, но переведённых на русский язык [12] .

Виды температурных шкал

В современном мире находят применение определенные виды температурных шкал:

1. Шкала Фаренгейта является одной из трех основных температурных знаковых систем, используемых сегодня с двумя другими Цельсия и Кельвина. Фаренгейт это стандарт, используемый для измерения температуры в Соединенных Штатах, но большая часть остального мира использует Цельсия.

2. Вскоре после открытия Фаренгейта шведский астроном Андерс Цельсий озвучил свою шкалу, которая упоминается как Цельсия. Она делится на 100 градусов, отделяющих точку кипения и замерзания. Оригинальный масштаб установленный Цельсием 0 в качестве точки кипения воды и 100 в качестве точки замерзания, был изменен вскоре после изобретения шкалы и стал: 0° C – замерзания, 100° C – точка кипения.

Термин Цельсия был принят в 1948 году международной конференцией по вопросам мер и весов и масштаб является предпочтительным как датчик температуры для научных приложений, а также в большинстве стран мира кроме Соединенных Штатов.

3. Следующую шкалу изобрел Лорд Кельвин из Шотландии с его датчиком в 1848 году, известная сейчас как шкала Кельвина. Она основывался на идее абсолютной теоретической нагретости, при которой все вещества не имеют тепловой энергии. Там нет отрицательных чисел по шкале Кельвина, 0 K самая низкая температура возможная в природе.

Абсолютный ноль по Кельвину означает минус 273,15 ° С и минус 459,67 F. Шкала Кельвина широко используется в научных приложениях. Единицы по шкале Кельвина имеют тот же размер, как и у шкалы Цельсия, за исключением того, что шкала Кельвина устанавливает самую низкую возможную температуру .

Коэффициенты пересчета видов температур

• Фаренгейта в градусы Цельсия: вычтите 32, а затем умножить на 5, а затем разделить на 9;

• Цельсия в градусы Фаренгейта: умножьте на 9, делим на 5, затем добавить 32;

• Фаренгейта в Кельвина: вычтите 32, умножить на 5, разделить на 9, а затем добавить 273,15;

• Кельвина в градусы Фаренгейта: вычтите 273,15, умножить на 1,8, а затем добавить 32;

• Кельвина в градусы Цельсия: добавить 273;

• Цельсия в Кельвина: вычтите 273.

Термометры используют материалы, которые изменяются в некотором роде, когда они нагреваются или охлаждаются. Самыми распространенные ртутные или спиртовые, где жидкость расширяется, когда нагревается и сжимается при охлаждении, поэтому длина столба жидкости длиннее или короче в зависимости от нагретости. Современные термометры калиброванные по виду температур как по Фаренгейту (используются в США), по Цельсию (во всем мире) и Кельвина (используется в основном учеными).

Термометры

Для измерения температуры можно воспользоваться зависимостью любой макроскопической величины (объема, давления, электрического сопротивления и др.) от температуры.

На практике чаще всего используют жидкостные термометры, в которых учитывают изменение объёма жидкости (обычно это спирт или ртуть) при изменении температуры окружающей среды (рис. 2).

Такие термометры обладают существенными недостатками: 1) диапазон температур ограничен: при низких температурах жидкости затвердевают, при высоких испаряются; 2) показания различных термометров, например ртутного и спиртового, совпадая при 0 °С и 100 °С, не совпадают при других температурах в силу того, что температурные коэффициенты объемного расширения спирта и ртути по-разному зависят от температуры.

В механических термометрах в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла, которые раскручиваются и скручиваются при изменении температуры (рис. 3).

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды (рис. 4). Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Газовые термометры (рис. 5) учитывается то, что давление газа пропорционально температуре при постоянном объеме (V = const). Соединив сосуд, в котором находится газ (чаще водород или гелий), с манометром и, проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

Читайте также:  Как правильно собирать канализацию

Рис. 5 Газовый термометр непригоден для определения температуры в области высоких температур, при которых происходит термическая диссоциация и ионизация, и очень низких температур, при которых все реальные газы конденсируются. Да и размеры не позволяют использовать его в быту.

См. также

  1. Бытовые термометры
  2. Промышленные термометры
  3. Wikipedia Термометр

Интересные факт

  1. Самая высокая температура созданная человеком

4 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении золотых частиц, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на установке RHIC, расположенной в Брукхейвенской национальной лаборатории, США.

  • Самая высокая теоретически возможная температура — планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)⋅1032 °C (примерно 142 нониллиона градусов).
  • Самая низкая температура, созданная человеком была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю градуса (5,9⋅10−12).
  • Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 °С.
  • См. также

    1. Аксенович Л.А. и др. Физика в средней школе // 6.12. Температура и тепловое равновесие системы. 6.13. Измерение температуры. 6.14. Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль
    2. Кикоин А.К. Температура. Теплота. Теплоемкость (Из истории физики) //Квант. — 1983. — № 11. — С. 26-28
    3. Wikipedia Температура

    Температура — кельвин

    Температура Кельвина совпадает с температурой, определенной по уравнению для идеального газа ( гл.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение f), определяемую выражением f Т — Т, где Т 273 15 К по определению. По размеру градус Цельсия равен кельвину.

    Кроме температуры Кельвина , допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение t), определяемую выражением tT — T0, где Т0 — 273 15 К по определению; Т — тем-пература Кельвина, К.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять температур Цельсия ( обозначение t), определяемую из выражения t — T-Ta. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

    Кроме температуры Кельвина , К ( обозначение 7) допускается применение температуры Цельсия, С ( обозначение t), определяемой выражением t — Т-27315 К. Температура Кельвина выражается в кель-винах ( градусах Кельвина), температура Цельсия — в градусах Цельсия. Числовое значение температуры должно сопровождаться значками К и С. По величине кельвин и градус Цельсия равны между собой. Различие состоит лишь в начале отсчета ( см. гл.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение t), определяемую выражением tT — T0, где Г0 273 15К по определению. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

    Кроме температуры Кельвина , допускается применять также температуру Цельсия.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение t), определяемую выражением t T — Т, где Г 273 15К по определению. По размеру градус Цельсия равен кельвину. Разность температур Кельвина выражается в Кельвинах. Разность температур Цельсия допускается выражать как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение t), определяемую выражением t T — Tn, где Т0 273 15К по определению. По размеру градус Цельсия равен кельвину. Разность температур Кельвина выражается в Кельвинах. Разность температур Цельсия допускается выражать как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение t), определяемую выражением t T — T0, где Г0 273 15 К по определению.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Т) допускается также применять температуру Цельсия ( обозначение /), определяемую выражением ( t T — Г0), где Г 273 15 К по определению. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

    Основные и дополнительные единицы СИ.| Внесистемные единицы, донускаемые к применению.| Производные единицы СИ.

    Кроме температуры Кельвина ( обозначение Г) допускается применять также температуру Цельсия ( обозначение г), определяемую как ( Г — Tt, где Т 273.15 К.

    Шкала температур Кельвина не зависит от свойств веществ.

    Интервал или разность температур Кельвина выражается в Кельвинах. Интервал или разность температур Цельсия допускается выражать как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия.

    Измерители нагретости

    Концепция измерения температуры является достаточно новой. Термоскоп – по существу, измеритель нагретости без шкалы был предшественником современного термометра. Были несколько изобретателей, работающих на термоскопе в 1593 году, но наиболее известным является Галилео Галилей, итальянский изобретатель, который также улучшил (но не изобрел) термоскоп.

    Читайте также:  До скольки можно делать ремонт в красноярске

    Термоскоп может показать различия в нагретости, что позволяет наблюдателям знать, если что-то становилось теплее или холоднее. Тем не менее, термоскоп не может обеспечить точную температуру в градусах. В 1612 году итальянский изобретатель Санторио добавил свою числовую шкалу на термоскоп и она была использована, чтобы измерять температуру человека. Но по-прежнему не хватало стандартизированной шкалы и точности.

    Изобретение термометра принадлежит немецкому физику Габриелю Фаренгейту который совместно с датским астрономом Олаф Кристенсен Рёмером разработал измеритель на основе и с использованием спирта.

    В 1724 году они ввели шкалу стандартной температуры, которая носит его имя Фаренгейта, масштаба который был использован для записи изменений нагретости в точной форме. Его шкала разделена на 180 градусов между точками замерзания и кипения воды. 32° F замерзания воды и 212 ° F кипения воды, 0° F была основана на нагретости равной смеси воды, льда и соли. Также за основу этой знаковой системы взята температура человеческого тела. Первоначально, нормальная нагретость человеческого тело была 100° F, но с тех пор была скорректирована до 98,6 ° F. Равная смесь воды, льда и хлорида аммония использована для установки в 0° F.

    Фаренгейт демонстрировал термометр на спиртовой основе в 1709 году до открытия ртутного аналога, который оказался более точным.

    В 1714 Фаренгейт разработал первый современный термометр – ртутный термометр с более точными измерениями. Известно, что ртуть расширяется или сжимается при повышении физической величины нагретости или падает. Это можно считать первым современным ртутным термометром со стандартизированной шкалой.

    История

    Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

    Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

    Шкала Кельвина

    В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

    Шкала Цельсия

    В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

    Шкала Фаренгейта

    В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

    В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F – 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

    Шкала Реомюра

    Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

    Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

    В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

    Пересчёт температуры между основными шкалами

    ПОДЕЛИТЬСЯ

    ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

    Please enter your comment!
    Please enter your name here