開爾文

開爾文
溫度計帶有攝氏攝氏度和開爾文的標記
一般信息
單位系統 SI
單位 溫度
象徵 K
而得名 威廉·湯姆森(William Thomson),第一個男爵開爾文
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x k in ... ...對應於...
   攝氏    x -273.15)°C
   華氏     (1.8 x - 459.67)°F
   蘭金     1.8 x °ra

開爾文(Kelvin )符號K溫度測量的單位。開爾文量表是一個絕對量表,定義為0 k是絕對零熱力學溫度t的變化量為1 kelvin對應於熱能KT的變化。 1.380 649 × 10 -23 J。 Boltzmann常數k = 1.380 649 × 10 -23 j·k -12019年重新定義的SI基礎單元中精確定義了,以使水的三個點273.16 ± 0.0001 k 。開爾文是國際單位系統(SI)中溫度的基本單位,與其前綴形式一起使用。它以貝爾法斯特- 出生和格拉斯哥大學工程師物理學家威廉·湯姆森(William Thomson )(1824- 1907年)的名字命名。

從歷史上看,開爾文量表是從攝氏量表開發的,因此273.15 K為0°C(的近似熔點),而一個開爾文的變化完全等於一個攝氏的變化。這種關係仍然是準確的,但是攝氏,華氏和蘭金量表現在是根據開爾文量表定義的。開爾文是工程物理科學的主要溫度單位,而在大多數國家 /地區,攝氏量表仍然是這些領域之外的主要規模。在美國,在物理科學之外,華氏量表占主導地位,開爾文或蘭金量表用於絕對溫度。

歷史

前體

水浴為在高溫的物理性質時,為溫度計提供了一個實用的校準點。

18世紀,開發了多個溫度尺度,尤其是華氏和攝影(後來的攝氏)。這些量表早於熱力學的現代科學,包括原子理論和基於絕對零概念的氣體動力學理論。取而代之的是,他們選擇了在人類體驗範圍內的定義點,可以輕鬆且準確地繁殖,但在熱物理學中缺乏任何深刻的意義。就攝氏量表而言(且牛頓量表已倒閉和雷奧穆爾量表以來,的熔點都可以用作起點,從1740年代1940年代,定義了攝氏,通過校準溫度計,以至於

該定義假設在選擇的特定壓力下純淨水,以近似海平面的自然氣壓。因此1°C等於 熔點和沸點之間的溫度1/100 。隨後將相同的溫度間隔用於開爾文量表。

查爾斯的律法

從1787年到1802年,由雅克·查爾斯(Jacques Charles) (未出版),約翰·道爾頓(John Dalton )和約瑟夫·路易斯·蓋伊·盧薩克(Joseph Louis Gay-Lussac )確定,在恆定的壓力下,理想氣體膨脹或收縮了其音量(查爾斯定律),大約每度1/273零件溫度的攝氏在0°至100°C之間變化。這表明在約-273°C下冷卻的氣體的體積將達到零。

開爾文勳爵

Kelvin勳爵,《度量單位​​》的同名。

1848年,威廉·湯姆森(William Thomson)後來被當作開爾文勳爵(Lord Kelvin )發表了一篇絕對溫度量表的論文。他使用即將解密的熱量理論,根據以下參數提出了一個“絕對”量表:

  • 水的熔點為0度。
  • 水的沸點為100度。

“在兩個量表上重合的任意點為0°和100°”

  • 根據Carnot的定理,任何兩種熱源和散熱器都被相同數量分離的熱源和散熱器都可以產生與每單位“熱量”通過的機械工作相同數量的。

“我現在提出的量表的特性是,所有程度都具有相同的值;也就是說,一個從該量表的溫度t t °下降的熱量降低熱量( t -1)°會發出相同的機械效果,無論數字t是絕對尺度的,因為它的特徵與任何特定物質的物理特性非常獨立。”

正如Carnot的定理在現代熱力學中被理解的那樣,簡單地描述了可以將熱能轉化為機械能的最大效率,並且預測的最大效率是熱源和散熱器的絕對溫度之間的比率的函數:

  • 效率≤1-散熱器的絕對溫度/熱源的絕對溫度

因此,在此規模上相等數量的程度的增量必須始終代表絕對溫度的相等比例增加。在1848年量表上絕對溫度T的數值絕對溫度有關

  • t (1848比例)= 100( ln t / t mpw ) /( ln t bpw / t mpw

在此規模上,增加222度總是意味著絕對溫度的大約翻倍,而不論起始溫度如何。

在腳註中,湯姆森(Thomson)計算出“無限冷”(絕對零,在此量表上具有負小度的數值)等於使用當時的空氣溫度計,相當於-273°C。 “ -273”的值為0.00366的負倒數 - 相對於冰點相對於冰分,理想氣體的熱膨脹係數可接受的係數,從而使當前接受的值具有顯著的一致性。

在十年之內,湯姆森(Thomson)放棄了熱量理論,並取代了1848年的量表,其基於兩個功能,這些功能將以開爾文量表的所有未來版本來表徵:

  • 絕對零是零點。
  • 增量具有與攝氏量表相同的大小。

1892年,湯姆森(Thomson)被授予拉格斯( Largs )的貴族冠軍第一男爵(Kelvin),或更簡潔的開爾文勳爵(Lord Kelvin)。這個名字引用了開爾文河,該河流流過格拉斯哥大學的地面。

在20世紀初的幾十年中,開爾文量表通常被稱為“絕對攝氏”量表,表明攝氏度從絕對零而不是水的冰點計數,並且使用相同的符號來適用於常規攝氏攝氏度,°C 。

三點標準

典型的相圖。實心綠線適用於大多數物質。虛線的綠線給出了水的異常行為。沸騰線(純藍色)從三個點到臨界點延伸,除此之外,溫度和壓力進一步增加了超臨界流體

1873年,威廉·湯姆森(William Thomson)的哥哥詹姆斯( James James)創造了三重點,以描述溫度和壓力的組合,其中一種物質的固體,液體和氣相能夠在熱力學平衡中共存。雖然任何兩個階段都可以沿一系列溫度壓力組合共存(例如,沸點可以通過升高或降低壓力極大地影響),但給定物質的三個點條件只能在單個壓力和單個壓力下發生。僅在單個溫度下。到1940年代,根據攝氏攝氏的歷史定義,水的三重點已被實驗測量為標準大氣壓的0.6%,並且非常接近0.01°C。

在1948年,通過分配水的三點溫度來重新校準攝氏量表,準確地為0.01°C,並允許在標準大氣壓力下的熔點具有經驗確定的值(並且在環境壓力下的實際熔點具有具有波動值)接近0°C。這是合理的,理由是,三重點被認為比熔點更準確地可重現參考溫度。三重點可以用±0.0001°C的精度測量,而熔點僅為±0.001°C。

1954年,根據實驗確定的絕對零,根據°C的定義為°C大約為-273.15°C,然後在使用中,第10屆權重和度量大會(CGPM)的分辨率3引入了一個新的國際標準化的Kelvin量表,該量表定義了定義的定義三重點正好為273.15 + 0.01 = 273.16度開爾文。

在1967/1968年,第13個CGPM的第3號決議重命名為熱力學溫度“ kelvin”的單位增量,符號K,代替“ kelvin”,符號°K。第13個CGPM也在第4號決議中舉行,“熱力學溫度的開爾文等於水的三重點的熱力學溫度的比例1 / 273.16 ”。

1983年重新定義儀表之後,這將開爾文(第二個)和千克(Kelvin)作為唯一未針對任何其他單位定義的SI單元。

在2005年,指出三個點可能會受到氫和氧的同位素比的影響,構成了水樣,這是“現在是水分三重點不同實現之間可觀察到的可變性的主要來源”, CGPM委員會國際重量與措施委員會(CIPM)確認,為了劃定水的三重點的溫度,開爾文的定義將指具有維也納標準規定的同位素組成的水平均海水

2019重新定義

現在,開爾文是根據玻爾茲曼常數和焦耳固定的,焦耳本身是由CAESIUM-133超細過渡頻率Planck常數定義的。 KK B均被接受玻璃體常數的速記。

2005年, CIPM使用更嚴格的方法開始了一個程序,以重新定義開爾文(以及其他SI單元)。特別是,委員會提議重新定義開爾文,以使鮑爾茨曼常數獲得確切的價值1.380 6505 × 10 -23 J/k 。該委員會曾希望該計劃將在2011年會議上被CGPM及時完成,但在2011年會議上,該決定被推遲到2014年會議上,當時該會議將被視為較大計劃的一部分。

重新定義在2014年進一步推遲,以當前定義對玻爾茲曼常數進行更準確的測量,但最終在2018年底的第26 cgpm上採用,值為k =。 1.380 649 × 10 -23 j·K -1

出於科學目的,主要優點是,這允許在非常低和非常高的溫度下進行更準確的測量,因為所使用的技術取決於Boltzmann常數。它還具有獨立於任何特定物質的哲學優勢。 j / k單位等於kg ·毫米2地面超細過渡分別。因此,該定義僅取決於通用常數,而不取決於以前實踐的任何物理偽像。挑戰是避免降低接近三個點的測量的準確性。出於實際目的,重新定義沒有引起人們的注意。水仍然在273.15 K(0°C)下凍結,水的三個點仍然是常用的實驗室參考溫度。

不同之處在於,在重新定義之前,水的三個點是精確的,玻爾茲曼常數的測量值為1.380 649 03 (51) × 10 -23 J/K ,具有相對標準不確定性3.7 × 10 -7 。之後,玻爾茲曼常數是精確的,不確定性轉移到了三重點,現在是273.1600(1)k

新定義於2019年5月20日正式生效,即儀表大會144週年。

實際用途

色溫

開爾文通常用作光源色溫的量度。色溫基於以下原理:黑體散熱器以其溫度的頻率分佈發射光。下面的溫度下的黑色身體4000 K顯得紅色,而上面的k 7500 K顯得藍。色溫在圖像投影和攝影領域很重要,其中著色溫度大約需要5600 K匹配“日光”電影乳液。在天文學中,恆星的恆星分類及其在赫茲普朗 - 俄羅斯圖中的位置部分基於其表面溫度,稱為有效溫度。例如,太陽的光球的有效溫度為5772 K [1] [2] [3] [4] ,IAU 2015 B3決議。

數碼相機和攝影軟件通常在編輯和設置菜單中使用K中的色溫。簡單的指南是,較高的色溫會產生具有增強的白色和藍色色調的圖像。色溫的降低會產生一個更由紅色的“溫暖”顏色主導的圖像。

開爾文作為噪聲溫度單位

對於電子產品,開爾文被用作電路與終極噪聲相關的電路的指標,即噪聲溫度。所謂的離散電阻和電容器的約翰遜 - 尼克斯噪聲是一種從玻爾茲曼常數衍生而來的熱噪聲,可用於使用Friis公式來確定電路的噪聲溫度,以示噪聲

派生單元和SI倍數

唯一具有從開爾文派生的特殊名稱的Si派生單元是攝氏學位。像其他SI單元一樣,開爾文也可以通過添加一個度量前綴來修改,該度量前綴將其乘以10

開爾文(K)的Si倍數
潛艇 倍數
價值 SI符號 姓名 價值 SI符號 姓名
10 -1 k DK Decikelvin 10 1 k 達克 decakelvin
10 -2 k CK Centikelvin 10 2 k Hectokelvin
10 -3 k MK Millikelvin 10 3 k KK Kilokelvin
10 -6 k μk Microkelvin 10 6 k MK Megakelvin
10 -9 k NK 納米克文 10 9 k GK Gigakelvin
10 -12 k PK picokelvin 10 12 k TK Terakelvin
10 -15 k FK agtokelvin 10 15 k PK Petakelvin
10 -18 k AK Attokelvin 10 18 k ek Exakelvin
10 -21 k ZK Zeptokelvin 10 21 k ZK Zettakelvin
10 -24 k yk Yoctokelvin 10 24 k yk Yottakelvin
10 -27 k RK Rontokelvin 10 27 k RK ronnakelvin
10 -30 k QK Quectokelvin 10 30 k QK Quettakelvin

拼字法

根據SI公約,開爾文從未被稱為學位。當用作單位時,“開爾文”一詞不會大寫。它是適當的(例如,“外部283 kelvins”),與“ 50攝氏度”或“ 10攝氏度”相比,它是“外部283 kelvins”)。單位符號k是大寫字母。在提到開爾文勳爵或開爾文量表時,將開爾文大寫是普遍的慣例。

單位符號k在代碼點的Unicode中編碼 U+212a K Kelvin標誌。但是,這是為與舊版編碼兼容提供的兼容性字符。 Unicode標準建議使用u+004B k拉丁大寫字母k ;也就是說,正常的資本k 。 “三個字母的符號已被賦予常規字母的規範等效: u+2126Ωohm符號 u+212a k kelvin符號u+212bÅangstrom符號在所有三個實例中,都應使用常規字母。”

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