Kelvin

Fiziksel birim
Ünite adı	Kelvin
Birim sembolü	${\ displaystyle \ mathrm {K}}$
Fiziksel miktar (lar)	Mutlak sıcaklık , sıcaklık farkı
Formül sembolü	${\ displaystyle T, \, \ Delta T, \, \ Delta \ vartheta}$
boyut	${\ displaystyle {\ mathsf {\ Theta}}}$
sistemi	Uluslararası birimler sistemi
In SI birimleri	Ana ünite
Adını	Lord Kelvin
Ayrıca bkz: Santigrat derece

Kelvin (birim sembolü: K ) 'dir SI temel birimi ait termodinamik sıcaklık ve aynı zamanda yasal sıcaklık birimi içinde AB , İsviçre ve hemen hemen tüm diğer ülkeler. Kelvin, esas olarak bilim ve teknolojide sıcaklıkları ve sıcaklık farklılıklarını belirtmek için kullanılır .

Kelvin ölçeği, Santigrat derecesine (° C) kıyasla tam olarak 273.15 K kaydırılır: 0 ° C'lik bir sıcaklık, 273.15 K'ye karşılık gelir; Mutlak sıfır noktası 0 K (= -273.15 ° C). İki birim Kelvin ve Santigrat derece arasındaki bir sıcaklık farkının sayısal değeri aynıdır.

Kelvin adını 24 yaşında termodinamik sıcaklık ölçeğini öneren daha sonra Lord Kelvin olan William Thomson'dan almıştır . 1967'ye kadar birim adı "Kelvin Derecesi" idi, birim sembolü ° K idi.

tanım

Kelvin, Boltzmann sabiti ile tanımlanır . Bu, Uluslararası Birimler Sisteminin 2019 revizyonunun bir parçası olarak değere ayarlanmıştır .${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}} = 1.380 \, 649 \ cdot 10 ^ {- 23} \, \ mathrm {J} / \ mathrm {K}}$

Bir Kelvin, termodinamik sıcaklıktaki T değişimidir ve termal enerjide k _B T tam olarak 1.380 649e^-23 jul.

Bu tanımla, Kelvin bağımsız bir şekilde, malzeme ve tanımlanır normaller , ancak temel birimler üzerinde Joule bağlıdır metre , kilogram ve ikinci (sabitler tarafından tanımlanan) ve bu nedenle sonuç olarak, üç sabitler üzerinde , ve . Önceden Kelvin, suyun üçlü noktasındaki (katı / sıvı / gaz) sıcaklık ile tanımlanıyordu . ${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$${\ displaystyle \ Delta \ nu _ {\ mathrm {Cs}}}$${\ displaystyle h}$

Kelvin ölçeğinin sıfır noktası ( T = 0 K) mutlak sıfır noktasındadır . Bununla birlikte, Nernst'in ısı yasasına göre, bu sıcaklık ne ölçülebilir ne de ulaşılabilir.

Santigrat derece ile ilişki

Sıcaklığın Santigrat ölçeği, Santigrat derece cinsinden ölçülen sıcaklığın Kelvin cinsinden sıcaklığa kıyasla tam olarak 273,15 kaydırılacağı şekilde tanımlanır:

${\ displaystyle \ mathrm {\ sol \ {T \ sağ \} {} _ {K} = \ sol \ {\ vartheta \ sağ \} _ {^ {\ circ} C} +273 {,} 15}}$

${\ displaystyle \ mathrm {\ sol \ {\ vartheta \ sağ \} {} _ {^ {\ circ} C} = \ sol \ {T \ sağ \} _ {K} -273 {,} 15}}$

Bu tanım sayesinde Kelvin ve derece Celsius cinsinden ölçülen iki sıcaklık değeri arasındaki farkın sayısal olarak aynı olması ve eşit olarak kullanılabilmesi sağlanmıştır.

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta \, T} {1 \, \ mathrm {K}}} = {\ frac {\ Delta \, \ vartheta} {1 \, ^ {\ circ} \ mathrm {C} }}}$.

Bu tanımla, suyun normal koşullar altında (101.325  kPa basınç) donma ve kaynama noktaları neredeyse tam olarak 0 ° C (273.15 K) ve 100 ° C (373.15 K) 'dır.

Tarih

2018 yılına kadar: Ayrı sıcaklık ölçeği

Mutlak sıfırda 0 değerine sahip bir mutlak sıcaklık ölçeği 1848'de William Thomson (1.Baron Kelvin ) tarafından önerildi. Bu sıcaklık ölçeğinin bölümleri başlangıçta ° A (mutlak için) olarak adlandırıldı. Sıcaklık farklarının Celsius ölçeğindekiyle aynı sayısal değere sahip olduğu ve bu da suyun donma noktasına (0 ° C) ve kaynama noktasına (100 ° C) sabit noktalara sahip olacağı şekilde tanımlanmıştır . Sonuç olarak, mutlak ölçek ve Santigrat ölçeği birbirine sabit bir değer kaydırıldı. (Başka bir mutlak sıcaklık ölçeği , Fahrenheit ölçeğine dayanan Rankine ölçeğidir .)

1948'de 9.  Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı (CGPM), mutlak bir termodinamik ölçeğin tek temel sabit nokta olarak üçlü su noktasına sahip olması gerektiğini ortaya koydu . Her şeyden önce, kaynama noktasının hava basıncına olan güçlü bağımlılığı , önceki sabit noktalar kullanılarak kalibrasyonu zorlaştırdı. Öte yandan üçlü nokta, kolayca ve net bir şekilde yeniden üretilebilirdi. Yeni tanıma göre , Santigrat ölçeğinin sıfır noktası (daha sonra İngilizcede yüzüncü ölçek olarak adlandırılır ) tam olarak 0,01 derece altında olmalıdır. Ünitenin gelecekteki adı beklentisiyle, "Derece Mutlak" için ° K sembolü belirtildi. Mutlak sıcaklık ve Santigrat sıcaklık olarak belirtilen sıcaklık farklılıkları aynı sayısal değere sahip olduğundan, bunlar için "nötr" birim tanımı "derece" (derece) kullanılmalıdır.

1954'te CGPM, Kelvin'i 19 Mayıs 2019'a kadar geçerli olan biçimde tanımladı ve onu temel birim olarak ilan etti. Bu aynı zamanda Santigrat derecesine yeni bir tanım verdi. İsim başlangıçta "Kelvin Derecesi (° K)" idi ve 1967'de "Kelvin (K)" olarak değiştirildi. O zamandan beri tanım şu şekildedir:

"Kelvin Termodinamik sıcaklığın birimi, termodinamik sıcaklığının 273,16-inci parçası olan üçlü nokta su." .

Aynı zamanda, "Kelvin" ile eşanlamlı olan "Santigrat derece" terimine Santigrat sıcaklıkları için de izin verilse de, sıcaklık farklılıklarının da Kelvin cinsinden belirtilmesi (ve artık derece cinsinden belirtilmemesi) öngörülmüştür.

2007 yılında standart okyanus suyunun izotopik bileşimi ile (tabii ki kimyasal olarak saf) su olması gerektiği eklenmiştir . Ölçüm prosedürleri o kadar hassas hale geldi ki , izotop bileşiminin suyun üçlü noktası (yaklaşık 10 mK) üzerindeki etkisi önemli hale geldi.

Diğer sıcaklık aralıkları için sıcaklık ölçüm aletlerini kalibre etmek için üçlü sıcaklık çok zor olduğundan, ITS-90 ("1990 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği") 1990 yılında oluşturuldu . Geniş bir sıcaklık aralığına dağılmış birkaç referans değeri kaydeder, örneğin iyi tanımlanmış erime noktaları; Suyun üçlü noktası da burada merkezi referans noktasıdır.

2019'dan beri: termal enerjiye bağlantı

Termodinamik sıcaklık ile doğru orantılıdır termal enerji ile, Boltzmann sabiti orantılılık faktörü olarak. Enerji (Joule) ve sıcaklık (Kelvin) birimleri birbirinden bağımsız olarak tanımlandığı sürece, Boltzmann sabiti deneysel olarak belirlenmelidir. Bu ölçümler zamanla gittikçe daha hassas hale geldi ve sonunda Kelvin'in suyun üçlü noktası üzerinde gerçekleşme kesinliğine ulaştı . Bu, birbiriyle yarışan iki tanımın varlığının artık gerekçelendirilemeyeceği anlamına geliyordu. Boltzmann sabitine J / K biriminde sabit bir değer atandı ve Kelvin böylece doğrudan Joule'ye bağlandı. O zamandan beri yalnızca konvansiyonla tanımlanan bir ölçekleme faktörü olan Boltzmann sabitinin değeri, yeni Kelvin'in eskisine olabildiğince yakın olması için seçildi . Bu değişiklik 20 Mayıs 2019 tarihinde Uluslararası Birimler Sisteminin revizyonu ile yürürlüğe girdi.

sembol

Ölçü birimi sembolü büyük " K " harfidir . Unicode bloğundaki "Harf benzeri semboller" içindeki Unicode standardı da sembolü içerir , ancak sadece uyumluluk nedeniyle. Unicode Konsorsiyumu açıkça kullanımına karşı tavsiyede.U+212A KELVIN SIGN

Kullanımı SI önekleri katları için (kilo-, mega, ...) Kelvin için olağandışı. MK, µK ve nK Kelvin'in kesirleri için kullanılır.

Diğer birimlerle ilişki

Kelvin bir enerji ölçüsü olarak

Enerji bariyerinin yalnızca termal dalgalanmalar temelinde aşılıp aşılamayacağını bilmek genellikle önemlidir . Bariyerin üstesinden gelme olasılığı Boltzmann dağılımı ile belirlenir : ${\ displaystyle \ Delta E}$

${\ displaystyle W (E) \ sim \ exp \ sol (- {\ frac {\ Delta E} {k _ {\ mathrm {B}} T}} \ sağ) \,.}$

Bir engel aslında asla aşılmaz, kolayca aşılır ve engel pratikte algılanmaz. ${\ displaystyle \ Delta E \ gg k _ {\ mathrm {B}} T}$${\ displaystyle \ Delta E = k _ {\ mathrm {B}} T}$${\ displaystyle \ Delta E \ ll k _ {\ mathrm {B}} T}$

Basitlik uğruna, enerjiler bu nedenle genellikle Kelvin cinsinden veya joule veya elektron volt (eV) gibi enerjik birimler cinsinden sıcaklıklar olarak verilir . Dönüşüm faktörleri daha sonra:

${\ displaystyle {\ begin {array} {rcllcccrcll} 1 \, \ mathrm {K} & {\ widehat {=}} & 8 {,} 617 \ cdot 10 ^ {- 5} \, \ mathrm {eV} &&& 1 \, \ mathrm {eV} & {\ widehat {=}} & 1 {,} 160 \ cdot 10 ^ {4} \, \ mathrm {K} \\ 1 \, \ mathrm {K} & {\ widehat {=}} & 1 {,} 381 \ cdot 10 ^ {- 23} \, \ mathrm {J} &&& 1 \, \ mathrm {J} & {\ widehat {=}} & 7 {,} 243 \ cdot 10 ^ {22} \, \ mathrm {K} \\\ end {dizi}}}$

Bu, hidrojen molekülü örneği kullanılarak gösterilmelidir: Dönme enerjisi ve hidrojen atomlarının birbirlerine karşı salınımlarının enerjisi nicelendirilir , yani. H. yalnızca ayrık değerleri alabilirler. Molekülü dönmeyen durumdan en yavaş dönme durumuna dönüştürmek için, 174 K'ye karşılık gelen 15 meV'lik bir enerji gereklidir. Hidrojen, oda sıcaklığında önemli ölçüde döner. İlk salınım durumu için 5980 K'ye karşılık gelen 516 meV gereklidir. Hidrojen molekülleri yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda titreşmeye başlar.

Diğer sıcaklık ölçeklerine dönüştürme

Kelvin cinsinden sıcaklıklar tam olarak aşağıdaki gibi sayısal bir denklem kullanılarak dönüştürülebilir:

Santigrat Derece :		${\ displaystyle \ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} C}} = \ left \ {T \ right \} _ {\ mathrm {K}} -273 {,} 15}$		${\ displaystyle \ sol \ {T \ sağ \} _ {\ mathrm {K}} = \ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} C}} +273 {,} 15}$
Fahrenheit derecesi :		${\ displaystyle \ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} F}} = \ left \ {T \ right \} _ {\ mathrm {K}} \ cdot {\ tfrac {9 } {5}} - 459 {,} 67}$		${\ displaystyle \ sol \ {T \ sağ \} _ {\ mathrm {K}} = (\ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} F}} +459 {,} 67 ) \ cdot {\ tfrac {5} {9}}}$
Rankine derecesi :		${\ displaystyle \ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} Ra}} = \ left \ {T \ right \} _ {\ mathrm {K}} \ cdot {\ tfrac {9 } {5}}}$		${\ displaystyle \ sol \ {T \ sağ \} _ {\ mathrm {K}} = \ sol \ {t \ sağ \} _ {\ mathrm {^ {\ circ} Ra}} \ cdot {\ tfrac {5 } {9}}}$

Sabit noktalar

Ortak sıcaklık skalalarının sabit noktaları

	Kelvin	° Santigrat	° Fahrenheit	° Rankine
Normal basınçta suyun kaynama noktası	373.150K	100.000 ° C	212.000 ° F	671.670 ° Ra
Fahrenheit'e göre " insan vücut ısısı "	308.70 5  K	35, 555  ° C	96.000 ° F	555.670 ° Ra
Üç nokta su	273.160K	0,010 ° C	32.018 ° F	491.688 ° Ra
Normal basınçta suyun donma noktası	273.150K	0.000 ° C	32.000 ° F	491.670 ° Ra
Soğuk su, buz ve NH 4 Cl karışımı	255,37 2  K	−17, 777  ° C	0.000 ° F	459.670 ° Ra
tamamen sıfır	0 K	273.150 ° C	−459.670 ° F	0 ° Ra

Ölçeklerin başlangıçta tanımlandığı sabit noktalar renkli olarak vurgulanır ve tam olarak diğer ölçeklere dönüştürülür. Bugün sabit noktalar olarak rollerini yitirdiler ve yalnızca yaklaşık değerlerdir. Yalnızca mutlak sıfır noktası hala tam olarak belirtilen değerlere sahiptir.

İnternet linkleri

• SI temel birimi: Kelvin (K). BIPM , 12 Nisan 2021'de erişildi (İngilizce, Kelvin tanımının ifadesi). 
• 1990 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği (ITS) için İnternet kaynağı - Su üçlü noktası (İngilizce)
• Kelvin - İsviçre Federal Metroloji Ofisi METAS
• Temel birim Kelvin - PTB'nin yeniden tanımlanması için Boltzmann sabiti k'nin yeniden belirlenmesi

Bireysel kanıt

1. ↑ ^{a b} Kelvin. PTB, 20 Şubat 2019, 13 Nisan 2019'da erişildi .  
2. ^ ^{A b} 26. CGPM Karar 1. Uluslararası Birimler Sisteminin (SI) revizyonu hakkında. Bureau International des Poids et Mesures , 2018, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
3. ↑ ^{a b} Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser: Sıcaklıkta ne kadar enerji var? Boltzmann sabitinin belirlenmesi , PTB-Mitteilungen 126 (2016), Heft 2, S. 94, çevrimiçi
4. ↑ Metre, kilogram ve saniye tanımlarına bakın
5. ↑ SI temel birimi: kelvin (K). İçinde: bipm.org. Bureau International des Poids et Mesures , 12 Nisan 2021'de erişildi .  
6. ↑ Carnot'un Isının Motive Edici Gücü Teorisine dayanan ve Regnault'un Gözlemlerinden hesaplanan Mutlak Termometrik Bir Ölçek üzerine , William Thomson, Philosophical Magazine, Ekim 1848 ( çevrimiçi )
7. ^ 9. CGPM'nin 3. Kararı. Üç nokta su; tek bir sabit noktalı termodinamik ölçek; ısı miktarı birimi (joule). Bureau International des Poids et Mesures , 1948, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
8. ^ ^{A b} 9. CGPM Karar 7. Birim sembol ve numaralarının yazılması ve basılması. Bureau International des Poids et Mesures , 1948, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
9. ^ 10. CGPM'nin 3. Kararı. Termodinamik sıcaklık ölçeğinin tanımı. Bureau International des Poids et Mesures , 1954, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
10. ^ 10. CGPM'nin 6. Kararı. Pratik birim sistemi. Bureau International des Poids et Mesures , 1954, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
11. ^ ^{A b} 13. CGPM Karar 3. SI termodinamik sıcaklık birimi (Kelvin). Bureau International des Poids et Mesures , 1967, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
12. ^ 13. CGPM'nin 4. Kararı. SI termodinamik sıcaklık biriminin (kelvin) tanımı. Bureau International des Poids et Mesures , 1967, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
13. ^ 23. CGPM'nin 10. Kararı. Termodinamik sıcaklık birimi olan kelvin tanımının netleştirilmesi. Bureau International des Poids et Mesures , 2007, 12 Nisan 2021'de erişildi .  
14. ↑ "Boltzmann sabitinin [...] türünün gerçek bir doğal sabiti olmadığı, örneğin ince yapı sabitleri veya temel elektrik yükü olduğu, yalnızca bir ölçek faktörü olduğu konusunda net olmak gerekir. mevcut [2007] Uluslararası Birimler Sistemi (SI) çerçevesinde belirlenen, sadece Kelvin'i su üçlü noktası yardımıyla temel birim olarak tanımladığı için gereklidir, diğer temel birimlerden (özellikle metre, saniye ve kilogram). Bu, SI enerji birimi olan joule'ye (1 Newton × 1 metre çalışma olarak tanımlanır) ek olarak termal enerji kT için dolaylı olarak kendine ait ek bir birim sunar. ", Bernd Fellmuth, Wolfgang Buck, Joachim Fischer, Christof Gaiser, Joachim Seidel: Kelvin temel biriminin yeni tanımı , PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 3, s. 287, çevrimiçi
15. ↑ Boltzmann sabiti belirlendi. (PDF) İçinde: PTB Haberleri 2/2017. Mayıs 2017, erişim 13 Nisan 2019 .  
16. ↑ Yeniden tanımlamanın ön koşulu olarak 1) Boltzmann sabiti 10 ⁻⁶ hassasiyetle belirlenebilir ve 2) temelde farklı iki yöntem kullanılır, her biri 3 hassasiyetle kullanılır.e^-6 var. 26. CGPM tutanaklarına bakın,sayfa 167(Fransızca) veyasayfa 433(İngilizce)
17. ↑ Unicode Konsorsiyumu: Unicode Standardı, Sürüm 10.0. (PDF) 2017, s.785 , 26 Şubat 2018'de erişildi (İngilizce).