Кельвин
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: 1,380 649⋅10−23 Дж/К. До 2019 года определялся как 1 / 273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды[4]. Начало шкалы совпадает с абсолютным нулём (0 К по шкале).
Пересчёт в градусы Цельсия:
- (температура тройной точки воды +0,01 °C).
Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорда Кельвина Ларгского из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин, протекающей через территорию университета Глазго.
До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина[5].
Общие сведения
| Кельвин | |
|---|---|
| Названо в честь | Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин |
| Обозначение единицы | K[1][2][…], К, K, K и K |
| Преобразования к основной единице СИ | 1 |
| Физическая величина | термодинамическая температура[2][3] и Цветовая температура |
История
Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» (англ. 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[6]. 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.
Третья резолюция Х Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) дала шкале Кельвина определение, в целом действовавшее до 2019 года. Была взята температура тройной точки воды в качестве второй опорной точки, и было принято, что её значение составляет ровно 273,16 кельвина («градуса Кельвина» в терминологии того времени)[7].
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[8].
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[9]. Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями[10]:
- 0,000 155 760 моля 2H на один моль 1Н,
- 0,000 379 900 моля 17О на один моль 16О,
- 0,002 005 200 моля 18О на один моль 16О.
На XXVI Генеральной конференции по мерам и весам была принята резолюция о значительном переопределении основных единиц СИ. Это переопределение, в частности, включало в себя переопределение кельвина через значение постоянной Больцмана, которая равна 1,380649 × 10−23 Дж / К.
Переопределение 2018/2019 года
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[11], 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[11]:
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 м2·кг·с−2·К−1, что эквивалентно Дж·К−1.
Таким образом, стало выполняться точное равенство k = 1,380 6X⋅10−23 Дж/К[12]. Следствием этого явилось то, что кельвин стал равным изменению температуры, которое приводит к изменению энергии kT/2, приходящейся на одну степень свободы, на k/2, то есть на (1 / 2) × 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[11].
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[13].
В итоге на XXVI Генеральной конференции по мерам и весам в 2018 году была принята резолюция о значительном переопределении основных единиц СИ. Это переопределение, в частности, включало в себя переопределение кельвина через значение постоянной Больцмана, которая равна 1,380649 × 10−23 Дж / К.
Новое определение действует с 20 мая 2019 года.
Кратные и дольные единицы
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[14]. «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[15].
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 К | декакельвин | даК | daK | 10−1 К | децикельвин | дК | dK |
| 102 К | гектокельвин | гК | hK | 10−2 К | сантикельвин | сК | cK |
| 103 К | килокельвин | кК | kK | 10−3 К | милликельвин | мК | mK |
| 106 К | мегакельвин | МК | MK | 10−6 К | микрокельвин | мкК | µK |
| 109 К | гигакельвин | ГК | GK | 10−9 К | нанокельвин | нК | nK |
| 1012 К | теракельвин | ТК | TK | 10−12 К | пикокельвин | пК | pK |
| 1015 К | петакельвин | ПК | PK | 10−15 К | фемтокельвин | фК | fK |
| 1018 К | эксакельвин | ЭК | EK | 10−18 К | аттокельвин | аК | aK |
| 1021 К | зеттакельвин | ЗК | ZK | 10−21 К | зептокельвин | зК | zK |
| 1024 К | иоттакельвин | ИК | YK | 10−24 К | иоктокельвин | иК | yK |
| 1027 К | роннакельвин | РК | RK | 10−27 К | ронтокельвин | рК | rK |
| 1030 К | кветтакельвин | КвК | QK | 10−30 К | квектокельвин | квК | qK |
| рекомендовано к применению применять не рекомендуется | |||||||
Диаграмма перевода температур
Цветовая температура
Кельвин также применяется для измерения цветовой температуры, характеризующей распределение интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Цветовая температура определяется как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение[16].
Примеры цветовой температуры различных источников света:
- 1500—2000 К — свет пламени свечи;
- 2800 К — лампа накаливания 100 Вт (вакуумная лампа);
- 3400 К — солнце у горизонта;
- 3500 К — люминесцентная лампа белого света;
- 6500 К — стандартный источник дневного белого света, близкий к полуденному солнечному свету;
- 9500 К — синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца;
- 20000 К — синее небо в полярных широтах.
Юникод
Символ кельвина в Юникоде находится в диапазоне «буквоподобных символов» и кодируется как U+212A K KELVIN SIGN (HTML-символ — K).
Примечания
Ссылки
- Определение Кельвина (англ.). BIPM. Дата обращения: 19 февраля 2021. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 года.
- Bureau International des Poids et Mesures. The International System of Units (SI) Brochure (англ.). — International Committee for Weights and Measures, 2006. — Vol. 8th Edition.
- Convert different temperature units (Celsius, Fahrenheit, Rankine, Réaumur, kelvin)
