Кельвин

У этого термина существуют и другие значения, см. Кельвин (значения).
Эта статья — о единице измерения. О лорде Кельвине см. Томсон, Уильям (лорд Кельвин).
Битермометр со шкалами, градуированными в градусах Цельсия (левая шкала) и кельвинах (правая шкала)

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[1]. 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 лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин, протекающей через территорию университета Глазго.

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

История

1848

Уильям Томсон (лорд Кельвин)

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[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

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

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

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, изотопный состав которой определён следующими соотношениями[7]:

  • 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.

2018

На 26-й 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

Основная статья: Изменения определений основных единиц СИ (2018)

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 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[9]. 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[8].

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

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].

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 йоттакельвин ИК YK 10−24 К иоктокельвин иК yK
1027 К роннакельвин РнК RK 10−27 К ронтокельвин рнК rK
1030 К кветтакельвин КвК QK 10−30 К квектокельвин квК qK
 рекомендовано к применению  применять не рекомендуется

Диаграмма перевода температур

Цветовая температура

Основная статья: 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[13].

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

  1. ↑ ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин. Дата обращения: 19 февраля 2021. Архивировано 16 июня 2019 года.
  2. ↑ BIPM — kelvin (англ.). www.bipm.org. Дата обращения: 1 марта 2017. Архивировано 29 марта 2019 года.
  3. ↑ Thomson, William. On an Absolute Thermometric Scale (англ.) // Philosophical Magazine : journal. — 1848. — October. Архивировано 1 февраля 2008 года.
  4. ↑ Resolution 3: Definition of the thermodynamic temperature scale (англ.). Resolutions of the 10th CGPM. Bureau International des Poids et Mesures (1954). Дата обращения: 6 февраля 2008. Архивировано 10 января 2013 года.
  5. ↑ Unit of thermodynamic temperature (kelvin) (англ.). SI Brochure: The International System of Units (SI). BIPM. Дата обращения: 17 октября 2014. Архивировано 29 марта 2019 года.
  6. ↑ Уточнение определения кельвина. Дата обращения: 25 сентября 2010. Архивировано 7 октября 2010 года.
  7. ↑ The International System of Units (SI) (англ.) / Bureau International des Poids et Mesures. — Paris, 2006. — P. 170. — 180 p. — ISBN 92-822-2213-6. Архивировано 14 августа 2017 года.
  8. ↑ 1 2 3 On the possible future revision of the International System of Units, the SI Архивная копия от 13 января 2012 на Wayback Machine (англ.) Резолюция XXIV Генеральной конференции по мерам и весам (2011)
  9. ↑ Здесь Х заменяет одну или более значащих цифр, которые были определены в окончательной редакции на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.
  10. ↑ On the future revision of the International System of Units, the SI (англ.). Resolution 1 of the 25th CGPM (2014). BIPM. Дата обращения: 9 октября 2015. Архивировано 14 мая 2017 года.
  11. ↑ SI brochure Архивная копия от 26 апреля 2006 на Wayback Machine Официальное описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов
  12. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Дата обращения: 19 февраля 2021. Архивировано 17 апреля 2021 года.
  13. ↑ Дойников А. С. Цветовая температура // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 422. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.

Ссылки