Kelvin

Kelvin
CelsiusKelvinThermometer.jpg
Thermometer mit Markierungen in Celsius und in Kelvins
Allgemeine Information
Einheitssystem SI -Basiseinheit
Einheit von Temperatur
Symbol K
Benannt nach William Thomson, 1. Baron Kelvin
Konvertierungen
xK in ... ... ist gleich ...
   Si -abgeleitete Einheiten    x- 273,15° C
   Kaiserliche/UNS Einheiten    1.8 (x- 273,15)+ 32° F
   Imperial/wir Absolute Skala    1.8x ° ra

Das Kelvin, Symbol k, ist das SI -Basiseinheit von Temperatur,[1][2][3][4] benannt nach dem Belfast-born und Universität Glasgow basierend Techniker und Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin (1824–1907). Das Kelvin -Skala ist ein absolut thermodynamic temperature Skala, was bedeutet, dass es verwendet Absoluter Nullpunkt als Nullpunkt.

Die Kelvin -Skala wurde entwickelt, indem der Ausgangspunkt der viel älteren Verschiebung verschoben wurde Celsius skalieren von der Schmelzpunkt von Wasser zu absoluter Null und seine Schritte immer noch genau der historischen Definition eines Grades Celsius annähern, aber Seit 2019 Die Skala wurde definiert, indem die festgelegt wurde Boltzmann Konstante k zu 1.380649×10–23Joge–1.[1] Daher ist ein Kelvin gleich einer Änderung der thermodynamischen Temperatur T Dies führt zu einer Änderung der thermischen Energie kt durch 1.380649×10–23J. Die Temperatur in Celsius ist jetzt als die Temperatur in Kelvins minus 273,15 definiert.[2] was bedeutet, dass a Rückgeld oder Unterschied in der Temperatur hat genau den gleichen Wert, wenn es in Kelvins wie in Celsius ausgedrückt wird, diese absolute Null genau 0 K und –273,15 ° C beträgt und dass reines Wasser sehr nahe 273,15 K einfriert und fast 373,15 K bei kocht Standard atmosphärischer Druck.

Das Kelvin ist die primäre Temperatureinheit für Ingenieurwesen und die Physikalische Wissenschaften, während in den meisten Ländern Celsius die dominierende Skala außerhalb dieser Felder und in der Vereinigte Staaten das Fahrenheit Skalierung (jetzt auch mit dem Kelvin definiert[5][6]) ist immer noch weit verbreitet.

Im Gegensatz zum Grad Fahrenheit und des Grades Celsius stammt der Kelvin bis zur Mitte 19. Jahrhundert eher als der frühe bis mitte 18. und wird nie als als als bezeichnet oder als geschrieben Grad, noch typisch aktiviert, außer wenn K. nach K, z. "Es ist 50 Grad Fahrenheit draußen" gegen "Es ist 10 Grad Celsius außerhalb" vs "Es sind 283 Kelvins draußen".[7]

Geschichte

Vorläufer

Ein Eis Wasserbad bot ein praktisches Bad Kalibrierung Punkt für Thermometer in einer Zeit vor der physischen Natur von Wärme war gut verstanden.

Während der 18. Jahrhundert Mehrere Temperaturskalen wurden entwickelt,[8] vor allem Fahrenheit und Celsius (später Celsius). Diese Skalen waren vor vielem der modernen Wissenschaft von vorhanden Thermodynamik, einschließlich des wissenschaftlichen Konsenses zugunsten von Atomtheorie und die kinetische Gasentheorie das untermauert das Konzept von absolutem Null. Stattdessen entschieden sie sich für die Definition von Punkten im Bereich der menschlichen Erfahrung zu dieser Zeit, die leicht und einigermaßen genau reproduziert werden konnten, aber in der thermischen Physik nicht unbedingt eine tiefe Bedeutung hatten. Im Fall der Celsius -Skala (und der langen Start Newton Scale und Réaumur -Skala) der Schmelzpunkt von Wasser diente als solchen semi-erbitrischen Ausgangspunkt, wobei Celsius definiert wurde, aus dem 1740er Jahre bis zum 1940er Jahredurch Kalibrierung eines Thermometers so, dass:

Dies bezieht sich auf reines Wasser an einem Satz Druck Entwickelt, um den natürlichen Luftdruck bei zu approximieren Meereshöhe. Eine Implikation davon war, dass ein Inkrement von 1 ° C gleich einem Inkrement von war 1/100 der Temperaturdifferenz zwischen Schmelz- und Siedepunkten. Dieses Temperaturintervall würde die Vorlage für den Kelvin werden.

Lord Kelvin

Lord Kelvin, der Namensgeber der Maßeinheit

1848 wurde William Thomson, der später enzend war wie Lord Kelvin, veröffentlichte ein Papier Auf einer absoluten thermometrischen Skala.[9][10][11] Verwenden der bald aufgebrachten KalorientheorieEr schlug eine "absolute" Skala vor, die auf den folgenden Parametern basiert:

  • Der Schmelzpunkt des Wassers beträgt 0 Grad.
  • Der Siedepunkt des Wassers beträgt 100 Grad.

"Die willkürlichen Punkte, die auf den beiden Skalen übereinstimmen, sind 0 ° und 100 °"

  • Egal welche zwei Wärmemotoren deren Wärmequelle und Kühlkörper werden beide durch die gleiche Anzahl von Grad getrennt werden Carnots Satz, in der Lage sein, die gleiche Menge an zu produzieren mechanische Arbeit pro Einheit von "Kalorien" durchlaufen.

"Die charakteristische Eigenschaft der Skala, die ich jetzt vorschlage, ist, dass alle Grad den gleichen Wert haben; das heißt, dass eine Wärmeeinheit, die von einem Körper abfällt A bei der Temperatur T° dieser Skala zu einem Körper B bei der Temperatur (T - 1) ° würde den gleichen mechanischen Effekt herausgeben, unabhängig von der Zahl T. Dies kann zu Recht als absolute Skala bezeichnet werden, da sein Merkmal recht unabhängig von den physikalischen Eigenschaften einer bestimmten Substanz ist. "

Wie Carnots Theorem in der modernen Thermodynamik verstanden wird, um einfach das Maximum zu beschreiben Effizienz mit welchem Wärmeenergie kann in mechanische Umwandlung umgewandelt werden Energie und die vorhergesagte maximale Effizienz ist eine Funktion des Verhältnis Zwischen den absoluten Temperaturen der Wärmequelle und dem Kühlkörper:

  • Effizienz ≤ 1 - Absolut gemäßigtes Kühlkörper/Absolute Temperatur der Wärmequelle

Daraus folgt, dass Inkremente gleicher Anzahl von Grad in dieser Skala immer gleich repräsentieren müssen proportional Erhöhung der absoluten Temperatur. Der numerische Wert einer absoluten Temperatur, T, auf der Skala von 1848 hängt mit der absoluten Temperatur des Schmelzpunkts des Wassers zusammen, Tmpwund die absolute Temperatur des Siedepunkts von Wasser, Tbpw, durch:

  • T (1848 Skala) = 100 (ln T/Tmpw) / ((ln Tbpw/Tmpw)

In dieser Skala bedeutet ein Anstieg von 222 Grad immer eine ungefähre Verdoppelung der absoluten Temperatur unabhängig von der Starttemperatur.

In einer Fußnote berechnete Thomson diese "unendliche Kälte" (Absoluter Nullpunkt, was einen numerischen Wert von negativen hätte Unendlichkeit in dieser Skala) war äquivalent zu –273 ° C unter Verwendung der Luftthermometer der Zeit. Dieser Wert von "–273" war der negative Gegenstand von 0,00366 - das akzeptierte der Wärmeausdehnungskoeffizient von einem idealen Gas pro Grad Celsius relativ zum Eispunkt, was eine bemerkenswerte Konsistenz für den derzeit akzeptierten Wert ergibt.

Innerhalb eines Jahrzehnts hatte Thomson die Kalorientheorie aufgegeben und die Skala von 1848 mit einem neuen Skala ersetzt[10][12] Basierend auf den beiden Funktionen, die alle zukünftigen Versionen der Kelvin -Skala charakterisieren würden:

  • Absolute Null ist der Nullpunkt.
  • Schritte haben die gleiche Größe wie in der Celsius -Skala.

1892 wurde Thomson mit dem ausgezeichnet edler Titel 1 Baron Kelvin von Largsoder prägnanter Lord Kelvin. Dieser Name war ein Hinweis auf die Fluss Kelvin die durch das Gelände der Glasgow University fließt.

In den frühen Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurde die Kelvin -Skala oft als "Absolute" bezeichnet Celsius"Skala, der Celsius -Grad angibt, das nicht vom Absolut Null als aus dem Gefrierpunkt des Wassers gezählt wurde und das gleiche Symbol für normale Celsius -Grad ° C verwendet.[13]

Triple Point Standard

Eine typische Phasendiagramm. Die durchgezogene grüne Linie gilt für die meisten Substanzen; Die gestrichelte grüne Linie verleiht das anomale Wasserverhalten. Die Kochlinie (fest blau) verläuft vom dreifachen Punkt bis zur kritischer Punkt, darüber hinaus erhöht die Temperatur und Druck eine weitere Erzeugung a superkritische Flüssigkeit.

1873 William Thomsons älterer Bruder James prägte den Begriff dreifacher Punkt[14] die Kombination von Temperatur zu beschreiben und Druck bei denen feste, flüssige und gas Phasen einer Substanz waren in der Lage, in der Lage zu sein Thermodynamisches Gleichgewicht. Während zwei zwei Phasen entlang eines Bereichs von Temperaturpressungskombinationen koexistieren könnten (z. B. die Siedepunkt von Wasser Kann durch Anheben oder Absenken des Drucks recht dramatisch beeinflusst werden. Der Dreipunktzustand für eine bestimmte Substanz kann nur bei 1 Druck und nur bei 1 Temperatur auftreten. In den 1940er Jahren wurde der dreifache Wasserpunkt experimentell zu etwa 0,6% von gemessen Standard atmosphärischer Druck und sehr nahe 0,01 ° C pro historischer Definition von Celsius, die dann verwendet werden.

1948 wurde die Celsius -Skala durch Zuordnen der Dreifachpunkttemperatur des Wertes von 0,01 ° C genau und zulässt die Dreifachpunktematemperatur neu kalibriert und das Zulassen der Wasser Schmelzpunkt bei Standard atmosphärischer Druck, einen empirisch bestimmten Wert zu haben (und den tatsächlichen Schmelzpunkt bei Umgebungsdruck, um a zu haben schwankend Wert) nahe 0 ° C. Dies wurde mit der Begründung gerechtfertigt, dass der dreifache Punkt beurteilt wurde, um eine genauer reproduzierbare Referenztemperatur als der Schmelzpunkt zu ergeben.[15]

1954, wobei der absolute Null experimentell zu –273,15 ° C gemäß der Definition von ° C betrug und dann verwendet wurde, Auflösung 3 des 10. Generalkonferenz über Gewichte und Maßnahmen (CGPM) führte eine neue international standardisierte Kelvin -Skala ein, die den dreifachen Punkt genau definierte: 273,15 + 0,01 = 273,16 "Grad Kelvin".[16][17]

In 1967/1968 benannte die Auflösung 3 des 13. CGPM das Einheitskrement der thermodynamischen Temperatur "Kelvin", Symbol K, das "Grad Kelvin", Symbol ° K ersetzt.[7][18] Das 13. CGPM hielt auch in Auflösung 4, dass "das Kelvin, Einheit der thermodynamischen Temperatur, gleich der Fraktion ist 1/273.16 der thermodynamischen Temperatur des dreifachen Wasserpunkts. "[4][19][20]

Nach Die Neudefinition des Messgeräts von 1983Dies ließ den Kelvin, das zweite, und die Kilogramm als einzige SI -Einheiten, die nicht in Bezug auf eine andere Einheit definiert sind.

Im Jahr 2005 stellte fest, dass der dreifache Punkt durch das Isotopenverhältnis des Wasserstoffs und des Sauerstoffs eine Wasserprobe beeinflusst werden könnte und dass dies "jetzt eine der Hauptquellen für die beobachtete Variabilität zwischen unterschiedlichen Realisierungen des Wasserdreifachpunkts war", "," das Internationales Komitee für Gewichte und Maßnahmen (CIPM), ein Komitee des CGPM, bestätigte, dass die Definition des Kelvin auf Wasser mit Wasser mit der isotopischen Zusammensetzung verweisen würde Wiener Standard mittlerer Meereswasser.[4][21][22]

2019 Neudefinition

Das Kelvin ist jetzt in Bezug auf die Boltzmann -Konstante und die Joule, selbst definiert durch die Caesium-133 Hyperfeinübergangsfrequenz und die Planck konstant. Beide k und kB werden für die Boltzmann -Konstante Kurzschrift akzeptiert.

Im Jahr 2005 die CIPM begann ein Programm, um das Kelvin (zusammen mit den anderen SI -Einheiten) mit einer experimentell strengeren Methode neu zu definieren. Insbesondere schlug der Ausschuss vor Neudefinition des Kelvin so dass das Boltzmann Konstante Nimmt den genauen Wert an 1.3806505×10–23J/k.[23] Das Komitee hatte gehofft, dass das Programm rechtzeitig für seine Annahme durch das CGPM bei seiner Sitzung 2011 abgeschlossen sein würde, aber bei der Sitzung 2011 wurde die Entscheidung auf die Sitzung 2014 verschoben, wenn es als Teil eines betrachtet werden würde größeres Programm.[24]

Die Neudefinition wurde 2014 weiter verschoben, bis genauere Messungen von Boltzmanns Konstante in Bezug auf die aktuelle Definition.[25] wurde aber schließlich Ende 2018 beim 26. CGPM mit einem Wert von verabschiedet k=1.380649×10–23Joge–1.[26][23][1][2][4][27]

Für wissenschaftliche Zwecke besteht der Hauptvorteil darin, dass dies ermöglicht, dass Messungen bei sehr niedrigen und sehr hohen Temperaturen genauer gemacht werden, da die verwendeten Techniken von der Boltzmann -Konstante abhängen. Es hat auch den philosophischen Vorteil, unabhängig von einer bestimmten Substanz zu sein. Die Einheit j/k entspricht kgoge2⋅S–2≤K–1, bei dem die Kilogramm, Meter und zweite sind in Bezug auf die definiert Planck konstant, das Lichtgeschwindigkeitund die Dauer der Caesium-133 Grundzustand Hyperfeinübergang beziehungsweise.[2] Somit hängt diese Definition nur von abhängig von Universelle Konstantenund nicht auf physischen Artefakten, wie zuvor praktiziert. Die Herausforderung bestand darin, die Genauigkeit der Messungen in der Nähe des dreifachen Punktes zu vermeiden. Für praktische Zwecke war die Neudefinition unbemerkt; Wasser friert immer noch bei 273,15 K (0 ° C) ein.[2][28] und der dreifache Wasserpunkt ist weiterhin eine häufig verwendete Laborreferenztemperatur.

Der Unterschied besteht darin, dass vor der Neudefinition der dreifache Wasserpunkt genau war und die Boltzmann -Konstante einen gemessenen Wert von hatte 1.38064903(51)×10–23J/k, mit einer relativen Standardunsicherheit von 3.7×10–7.[29] Danach ist die Boltzmann -Konstante genau und die Unsicherheit wird auf den dreifachen Wasserpunkt übertragen, was jetzt ist 273.1600 (1) k.

Die neue Definition trat offiziell am 20. Mai 2019, dem 144. Jahrestag der, in Kraft Zählerkonvention.[27][1][2][4]

Praktische Verwendungen

Kelvin -Temperaturumwandeln Formeln
Von Kelvins zu Kelvins
Celsius [° C] = [k] - 273,15 [K] = [° C]+273,15
Fahrenheit [° F] = [k] × 95- 459,67 [K] = ([° F]+459,67) × 59
Rankine [° r] = [k] × 95 [K] = [° r] × 59
Für Temperatur Intervalle eher als spezifische Temperaturen,
1 k = 1 ° C = 95° F = 95° r
Vergleiche zwischen verschiedenen Temperaturkalen

Farbtemperatur

Das Kelvin wird oft als Maß für das verwendet Farbtemperatur von Lichtquellen. Die Farbtemperatur basiert auf dem Prinzip, dass a Schwarzer Körper Kühler emittiert Licht mit einer Frequenzverteilung, die für seine Temperatur charakteristisch ist. Schwarze Körper bei Temperaturen unten ungefähr etwa 4000 k erscheinen rötlich, während die oben genannten über 7500 k erscheinen bläulich. Farbtemperatur ist wichtig in den Feldern der Bildprojektion und Fotografie, wo eine Farbtemperatur von ungefähr 5600 k ist erforderlich, um "Tageslicht" -Filmemulsionen zu entsprechen. Im Astronomie, das Sternklassifizierung von Sternen und ihrem Platz auf der Hertzsprung -Russell -Diagramm basiert teilweise auf ihrer Oberflächentemperatur, bekannt als als Effektive Temperatur. Die Photosphäre der Sonnezum Beispiel eine wirksame Temperatur von 5778 k.

Digitalkameras und fotografische Software verwenden häufig Farbtemperaturen in K in Bearbeits- und Setup -Menüs. Die einfache Anleitung ist, dass eine höhere Farbtemperatur ein Bild mit verbesserten weißen und blauen Farbtönen erzeugt. Die Verringerung der Farbtemperatur erzeugt ein Bild, das mehr von rötlich dominiert wird. "wärmer" Farben.

Kelvin als Geräuschtemperatureinheit

Für die Elektronik wird das Kelvin als Indikator dafür verwendet, wie laut Eine Schaltung ist in Bezug auf eine ultimative Lärmboden, d.h. die Geräuschtemperatur. Die sogenannte Johnson -Nyquist -Lärm von diskreten Widerständen und Kondensatoren ist eine Art von thermischen Rauschen, die aus dem abgeleitet sind Boltzmann Konstante und kann verwendet werden, um die Rauschtemperatur eines Schaltkreises unter Verwendung des Schaltkreises zu bestimmen Friis -Formeln für Lärm.

Abgeleitete Einheiten und Si -Multiples

Das einzige Si -abgeleitete Einheit mit einem besonderen Namen Aus dem Kelvin abgeleitet ist der Grad Celsius. Wie andere SI -Einheiten kann auch das Kelvin durch Hinzufügen a geändert werden metrisches Präfix das multipliziert es mit a Kraft von 10:

Si -Vielfache von Kelvin (K)
Submultiples Vielfache
Wert Si -Symbol Name Wert Si -Symbol Name
10–1 K DK Decikelvin 101 K Dak Decakelvin
10–2 K ck Centikelvin 102 K HK Hektokelvin
10–3 K mk Millikelvin 103 K Kk Kilokelvin
10–6 K µk Mikrokelvin 106 K Mk Megakelvin
10–9 K NK Nanokelvin 109 K Gk Gigakelvin
10–12 K pk Picokelvin 1012 K Tk Terakelvin
10–15 K fk Femtokelvin 1015 K Pk Petakelvin
10–18 K AK Attokelvin 1018 K Ek Exakelvin
10–21 K ZK Zeptokelvin 1021 K ZK Zettakelvin
10–24 K yk Yoctokelvin 1024 K Yk Yottakelvin

Unicode -Zeichen

Das Symbol ist codiert in Unicode am Codepunkt U+212a Kelvin Zeichen. Dies ist jedoch a Kompatibilitätsfigur bereitgestellt für die Kompatibilität mit Legacy -Codierungen. Der Unicode -Standard empfiehlt die Verwendung U+004B K Lateinischer Großbuchstaben K stattdessen; das heißt, ein normales Kapital K. "Drei Buchstaben wie Symbole wurden kanonischen Äquivalenz zu regulären Buchstaben gegeben: U+2126 Ohm Zeichen, U+212a Kelvin Zeichen, und U+212B Angstromzeichen. In allen drei Fällen sollte der reguläre Brief verwendet werden. "[30]

Siehe auch

Verweise

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  3. ^ "SI -Basiseinheit: Kelvin (k)". bipm.org. Bipm. Abgerufen 5. März 2022.
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  10. ^ a b Thomson, William. "Auf einer absoluten thermometrischen Skala, die auf Carnots Theorie der Motivkraft der Wärme beruht und aus Regnaults Beobachtungen (1881 Nachdruck) berechnet wurde" (PDF). Philosophischer Magazin. Abgerufen 21. Februar 2022.
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Externe Links