Кельвин - Kelvin

Эта статья о единицах измерения температуры. Для использования в других целях см. Кельвин (значения).

Кельвин
Система единицБазовая единица СИ
ЕдиницаТемпература
СимволK
Названный в честьУильям Томсон, первый барон Кельвин

В кельвин это базовый блок из температура в Международная система единиц (SI), имеющий символ единицы K. Он назван в честь уроженца Белфаста Университет Глазго инженер и физик Уильям Томсон, первый барон Кельвин (1824–1907).

Кельвин теперь определяется путем фиксации числового значения Постоянная Больцмана k до 1,380 649 × 10−23 J⋅K−1. Эта единица равна кг⋅м2⋅s−2⋅K−1, где килограмм, метр и второй определены в терминах Постоянная Планка, то скорость света, а продолжительность цезий-133 основное состояние сверхтонкий переход соответственно.[1] Таким образом, это определение зависит только от универсальные константы, а не на каких-либо физических артефактах, как практиковалось ранее, таких как Международный прототип килограмма, масса которого со временем отклонилась от исходного значения.

Один кельвин равен изменению термодинамическая температура Т что приводит к изменению тепловая энергия kT на 1,380 649 × 10−23 Дж.[2]

В Шкала Кельвина выполняет требования Томсона как абсолютный термодинамическая температура шкала. Оно использует абсолютный ноль в качестве нулевой точки.

В отличие от степени Фаренгейт и степень Цельсия, кельвин не упоминается и не записывается как степень. Кельвин - основная единица измерения температуры в физических науках, но часто используется вместе с градусом Цельсия, который имеет ту же величину.

История

Смотрите также: Термодинамическая температура § История
Лорд Кельвин, тезка подразделения

В 1848 году Уильям Томсон, позднее получивший титул Лорд Кельвин, написал в своей газете На абсолютной термометрической шкале о необходимости шкалы, в которой «бесконечный холод» (абсолютный ноль) был нулевой точкой шкалы, и в которой для приращения единицы измерения использовались градусы Цельсия. Кельвин подсчитал, что абсолютный ноль был эквивалентен -273 ° C на воздушных термометрах того времени.[3] Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая шкала температуры Кельвина. Значение Кельвина «-273» было отрицательной обратной величиной 0,00366 - принятого коэффициента расширения газа на градус Цельсия относительно точки льда, что дает замечательную согласованность с принятым в настоящее время значением.

В 1954 г. Постановлением 3 10-го Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) дала шкале Кельвина современное определение, обозначив тройная точка воды в качестве второй определяющей точки и присвоил его температуре ровно 273,16 кельвина.[4]

В 1967/1968 г. Постановление 3 13-го ГКГМ переименовало единицу приращения термодинамической температуры «кельвин», символ K, заменив «градус Кельвина», символ ° K.[5] Более того, считая полезным более четко определить величину приращения единицы измерения, 13-й CGPM также постановил в Резолюции 4, что «Кельвин, единица термодинамической температуры, равен доле 1/273.16 термодинамической температуры тройная точка воды."[6]

В 2005 г. Международный комитет Poids et Mesures (CIPM), комитет CGPM, подтвердил, что для целей определения температуры тройной точки воды определение термодинамической температурной шкалы Кельвина будет относиться к воде, имеющей изотопный состав, указанный как Венская стандартная средняя океанская вода.[7]

16 ноября 2018 г. новое определение была принята в виде фиксированного значения Постоянная Больцмана. С этим изменением тройная точка воды стала эмпирически определенным значением примерно 273,16 кельвина. За законодательная метрология цели, новое определение официально вступило в силу 20 мая 2019 г., в 144-ю годовщину Метр Соглашение.[8]

Соглашения об использовании

Согласно Международное бюро мер и весов, когда произносится или произносится по буквам, единица ставится во множественное число с использованием тех же грамматических правил, что и для других Единицы СИ такой как вольт или же ом (например, "... тройная точка воды ровно 273,16 кельвина"[9]). Когда делается ссылка на "Кельвин шкала", слово" кельвин ", которое обычно является существительным, функционирует прилагательно для изменения существительного "масштаб" и пишется с большой буквы. Как и в случае с большинством других символов единиц СИ (за исключением символов угла, например, 45 ° 3 '4 ″), между числовым значением и символом кельвина (например, «99,987 K») есть пробел.[10][11] (Руководство по стилю для ЦЕРН, однако, специально говорит всегда использовать «кельвин», даже во множественном числе.)[12]

До 13-го CGPM в 1967–1968 годах единица измерения кельвина называлась «градусом», как и другие температурные шкалы того времени. Его отличали от других шкал либо суффиксом прилагательного «Кельвин» («градус Кельвина»), либо «абсолютным» («абсолютным градусом»), а его символом было ° K. Последний термин (абсолютная степень), который был официальным названием подразделения с 1948 по 1954 год, был неоднозначным, поскольку его также можно было интерпретировать как относящийся к Шкала Ренкина. До 13-го CGPM форма множественного числа была «абсолютные степени». 13-я ГКБМ изменила название единицы на просто «кельвин» (символ: K).[13] Отсутствие «степени» указывает на то, что она не относится к произвольной контрольной точке, такой как шкала Цельсия и Фаренгейта (хотя шкала Ренкина продолжала использовать «градус Ренкина»), а скорее абсолютная единица измерения, которой можно манипулировать алгебраически ( например, умноженное на два, чтобы указать удвоенное количество «средней энергии», доступной среди элементарных степеней свободы системы).

Новое определение 2019

Основные статьи: 2019 новое определение базовых единиц СИ и CODATA 2018

В 2005 г. CIPM начал программу по пересмотру определения кельвина (вместе с другими единицами СИ) с использованием более экспериментально строгой методологии. В частности, комитет предложил новое определение кельвина такой, что Постоянная Больцмана принимает точное значение 1.3806505×10−23 Дж / К.[14] Комитет надеялся, что программа будет завершена вовремя для ее принятия CGPM на заседании 2011 года, но на заседании 2011 года решение было отложено до заседания 2014 года, когда оно будет рассматриваться как часть большая программа.[15]

Новое определение было отложено в 2014 году в ожидании более точных измерений постоянной Больцмана с точки зрения текущего определения,[16]но был окончательно принят на 26-й конференции CGPM в конце 2018 года со стоимостью k = 1.380649×10−23 Дж / К.[14][17]

С научной точки зрения основным преимуществом является то, что это позволит проводить более точные измерения при очень низких и очень высоких температурах, поскольку используемые методы зависят от постоянной Больцмана. У него также есть философское преимущество, заключающееся в независимости от какой-либо конкретной субстанции. Задача заключалась в том, чтобы избежать снижения точности измерений вблизи тройной точки. С практической точки зрения это переопределение останется незамеченным; вода будет замерзать при температуре 273,15 K (0 ° C),[18] и тройная точка воды по-прежнему будет широко используемой лабораторной эталонной температурой.

Разница в том, что до переопределения тройная точка воды была точной, а постоянная Больцмана имела измеренное значение 1.38064903(51)×10−23 Дж / К, с относительной стандартной неопределенностью 3.7×10−7.[17] После этого постоянная Больцмана становится точной, и неопределенность переносится на тройную точку воды, которая теперь 273,1600 (1) К.

Практическое использование

Формулы преобразования температуры Кельвина
от кельвиновв кельвины
Цельсия[° C] = [K] - 273,15[K] = [° C] + 273,15
Фаренгейт[° F] = [K] ×9⁄5 − 459.67[K] = ([° F] + 459,67) ×5⁄9
Ренкин[° R] = [K] ×9⁄5[K] = [° R] ×5⁄9
Для температуры интервалы а не конкретные температуры,
1 К = 1 ° С =9⁄5 ° F =9⁄5 ° R
Сравнение различных температурных шкал

Цветовая температура

Смотрите также: Постоянная Стефана – Больцмана

Кельвин часто используется как мера цветовая температура источников света. Цветовая температура основана на том принципе, что черное тело Радиатор излучает свет с частотным распределением, характерным для его температуры. Черные тела при температуре ниже примерно 4000 К выглядят красноватыми, тогда как указанные выше 7500 К кажутся голубоватыми. Цветовая температура важна в области проецирования изображения и фотография, где цветовая температура примерно 5600 К требуется для соответствия пленочным эмульсиям "дневного света". В астрономия, то звездная классификация звезд и их место на Диаграмма Герцшпрунга – Рассела частично основаны на температуре их поверхности, известной как эффективная температура. Фотосфера солнце, например, имеет эффективную температуру 5778 К.

Цифровые камеры и фотографическое программное обеспечение часто используют цветовую температуру в K в меню редактирования и настройки. Простой совет заключается в том, что более высокая цветовая температура дает изображение с усиленными белыми и синими оттенками. Снижение цветовой температуры дает изображение с преобладанием красноватого, «теплые» цвета.

Кельвин как единица шумовой температуры

Основная статья: Коэффициент шума

В электронике кельвин используется как индикатор того, как шумный схема относится к конечной шумный этаж, т.е. шумовая температура. Так называемой Шум Джонсона – Найквиста дискретных резисторов и конденсаторов - это тип теплового шума, возникающий из-за Постоянная Больцмана и может использоваться для определения шумовой температуры цепи с помощью Формулы Фрииса для шума.

Символ Unicode

Символ закодирован в Unicode в кодовой точке U + 212A K ЗНАК КЕЛЬВИНА. Однако это персонаж совместимости предоставляется для совместимости с устаревшими кодировками. Стандарт Unicode рекомендует использовать U + 004B K ЛАТИНСКАЯ ЗАГЛАВНАЯ БУКВА K вместо; то есть нормальный капитал K. "Три буквоподобных символа получили канонический эквивалент регулярных букв: U + 2126 Ω ЗНАК ОМ, U + 212A K ЗНАК КЕЛЬВИНА, и U + 212B Å ЗНАК АНГСТРОМ. Во всех трех случаях следует использовать обычную букву ".[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "BIPM - SI Брошюра". www.bipm.org. Получено 1 августа 2019.
  2. ^ "Mise en pratique" (PDF). BIPM.
  3. ^ Лорд Кельвин, Уильям (октябрь 1848 г.). «На абсолютной термометрической шкале». Философский журнал. Архивировано из оригинал 1 февраля 2008 г.. Получено 6 февраля 2008.
  4. ^ «Решение 3: Определение термодинамической шкалы температур». Постановления 10-го ГКГВ. Bureau International des Poids et Mesures. 1954. Архивировано с оригинал 23 июня 2007 г.. Получено 6 февраля 2008.
  5. ^ «Разрешение 3: единица измерения термодинамической температуры в системе СИ (кельвин)». Постановления 13-го ГКГВ. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. Архивировано с оригинал 21 апреля 2007 г.. Получено 6 февраля 2008.
  6. ^ «Резолюция 4: Определение единицы термодинамической температуры (кельвин) в системе СИ». Постановления 13-го ГКБП. Bureau International des Poids et Mesures. 1967 г. В архиве из оригинала 15 июня 2007 г.. Получено 6 февраля 2008.
  7. ^ «Единица термодинамической температуры (кельвин)». Брошюра SI, 8-е издание. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. С. Раздел 2.1.1.5. Архивировано из оригинал 26 сентября 2007 г.. Получено 6 февраля 2008.
  8. ^ Проект Резолюции А «О пересмотре Международной системы единиц (СИ)» для представления ГКБМ на его 26-м заседании (2018 г.) (PDF)
  9. ^ «Правила и стилистические соглашения для выражения значений количеств». Брошюра SI, 8-е издание. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. С. Раздел 2.1.1.5. В архиве из оригинала 16 июля 2012 г.. Получено 27 августа 2012.
  10. ^ «Правила единиц СИ и стилистические соглашения». Национальный институт стандартов и технологий. Сентябрь 2004 г. В архиве из оригинала 5 февраля 2008 г.. Получено 6 февраля 2008.
  11. ^ «Правила и стилистические соглашения для выражения значений количеств». Брошюра SI, 8-е издание. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. С. Раздел 5.3.3. В архиве из оригинала 23 сентября 2015 г.. Получено 13 декабря 2015.
  12. ^ "kelvin | Руководство по написанию CERN". Writing-guidelines.web.cern.ch. Архивировано из оригинал 17 апреля 2020 г.. Получено 19 сентября 2019.
  13. ^ Барри Н. Тейлор (2008). «Руководство по использованию Международной системы единиц (СИ)» (.PDF). Специальная публикация 811. Национальный институт стандартов и технологий. В архиве (PDF) из оригинала от 3 июня 2016 г.. Получено 5 марта 2011. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ а б Ян Миллс (29 сентября 2010 г.). «Проект главы 2 брошюры СИ после переопределения базовых единиц» (PDF). CCU. В архиве (PDF) из оригинала 10 января 2011 г.. Получено 1 января 2011.
  15. ^ «Генеральная конференция мер и весов одобряет возможные изменения в Международной системе единиц, в том числе новое определение килограмма» (PDF) (Пресс-релиз). Севр, Франция: Генеральная конференция по мерам и весам. 23 октября 2011 г. В архиве (PDF) из оригинала от 9 февраля 2012 г.. Получено 25 октября 2011.
  16. ^ Вуд, Б. (3–4 ноября 2014 г.). «Отчет о заседании рабочей группы CODATA по фундаментальным константам» (PDF). BIPM. п. 7. В архиве (PDF) из оригинала 13 октября 2015 г. [Директор BIPM Мартин] Милтон ответил на вопрос о том, что произойдет, если ... CIPM или CGPM проголосуют за не продвигаться вперед с переопределением SI. Он ответил, что считает, что к тому времени решение двигаться вперед следует рассматривать как предрешенный.
  17. ^ а б Ньюэлл, Д. Б.; Cabiati, F; Фишер, Дж; Fujii, K; Каршенбойм, С. Г.; Марголис, H S; де Мирандес, Э; Mohr, PJ; Nez, F; Пачуки, К; Куинн, Т. Дж .; Тейлор, Б. Н.; Ван, М; Дерево, B M; Zhang, Z; и другие. (Целевая группа Комитета по данным для науки и технологий (CODATA) по фундаментальным константам) (29 января 2018 г.). "Значения CODATA 2017 час, е, k, и NА за ревизию СИ ». Метрология. 55 (1): L13 – L16. Bibcode:2018Метро..55Л..13Н. Дои:10.1088 / 1681-7575 / aa950a.
  18. ^ «Обновление определения кельвина» (PDF). Международное бюро мер и весов (BIPM ). В архиве (PDF) из оригинала 23 ноября 2008 г.. Получено 23 февраля 2010.
  19. ^ "22.2". Стандарт Unicode, версия 8.0 (PDF). Маунтин-Вью, Калифорния, США: Консорциум Unicode. Август 2015 г. ISBN  978-1-936213-10-8. В архиве (PDF) из оригинала от 6 декабря 2016 г.. Получено 6 сентября 2015.

внешняя ссылка