Кельвин является основной единицей измерения температуры в Международной системе единиц (СИ). Данная шкала была предложена в 1848 году английским физиком Уильямом Томсоном, в честь которого впоследствии и была названа.
Определение кельвина
Кельвин определяется на основе температуры тройной точки воды, которая принимается равной 273,16 К. Таким образом, по сути кельвин является градусом Цельсия, отсчитываемым от абсолютного нуля (−273,15°C).
Формула перевода градусов Цельсия в кельвины выглядит следующим образом:
K = °C + 273,15
Где:
- K - температура в кельвинах
- °C - температура в градусах Цельсия
История создания
В 1848 году Уильям Томсон в своей работе "Об абсолютной термометрической шкале" писал о необходимости шкалы, начало отсчета которой совпадает с абсолютным нулем. Именно эта шкала впоследствии и стала известна как шкала Кельвина.
Значение "минус 273" было получено как обратное от 0,00366 - коэффициента расширения газа на градус Цельсия.
На Х Генеральной конференции по мерам и весам данная шкала получила современное определение. Было установлено, что температура тройной точки воды равна 273,16 К.
Современное использование
В настоящее время кельвин является основной единицей измерения температуры в физике и других точных науках. Это связано с тем, что шкала Кельвина имеет естественную "нулевую" точку отсчета - абсолютный нуль.
Кельвин также часто используется для измерения цветовой температуры источников света. Цветовая температура показывает оттенок излучаемого света и определяется как температура абсолютно черного тела с аналогичным спектром излучения.
| Источник света | Цветовая температура, К |
| Лампа накаливания | 2800-3300 |
| Галогенные лампы | 3000-6000 |
| Белые светодиоды | 4000-6000 |
Как видно из таблицы, цветовая температура позволяет классифицировать источники белого света на "теплые" (низкая цветовая температура) и "холодные" (высокая температура).
Перспективы
В будущем планируется новое определение кельвина на основе значения постоянной Больцмана. Это позволит избавиться от привязки к трудновоспроизводимым условиям при реализации температуры тройной точки воды.
Также ведется работа по созданию encore меньших температур. В настоящее время рекорд составляет 38 пикокельвинов (0,000 000 038 К). Достижение еще более низких температур открывает путь к новым открытиям в области квантовых технологий.
Применение шкалы Кельвина
Помимо физики и других точных наук, шкала Кельвина также находит широкое применение в технике и промышленности.
В частности, температурные датчики, используемые для контроля технологических процессов, измеряют температуру именно в кельвинах. Это связано с тем, что многие физические свойства материалов выражаются через абсолютную температуру.
Кельвин и криогенные температуры
Область температур ниже 120 К называется криогенной. Достижение таких температур требует использования жидких газов, таких как жидкий азот или гелий.
Измерение криогенных температур также производится в кельвинах. При этом используются специальные датчики, работающие при очень низких температурах.
Кельвин в астрофизике
Кельвин является важной единицей измерения в астрофизике и исследованиях космоса. Температура звезд, планет и других космических объектов также измеряется в кельвинах.
Например, температура поверхности Солнца составляет около 5800 К. А температура реликтового излучения, заполняющего весь космос, - 2,725 К.
Кельвин и квантовые технологии
Сверхнизкие температуры, достигаемые в единицах кельвина, критически важны для развития квантовых технологий. При таких температурах возможно достижение квантовых эффектов.
Например, квантовые компьютеры для своей работы нуждаются в температурах порядка 10-100 мК (милликельвинов). Их охлаждение до такого уровня является одной из ключевых трудностей в создании квантового компьютера.
Это интересно
Самая низкая температура, когда-либо измеренная в лаборатории, составляет лишь 38 пкК (пикокельвинов). Это всего в миллиардную долю градуса выше абсолютного нуля!
При такой температуре атомы настолько малоподвижны, что проявляют свойства квантовой суперпозиции. Это открывает уникальные возможности для исследования квантовых эффектов.
Применение сверхнизких температур
Достижение рекордно низких температур, измеряемых в пико- и фемтокельвинах, открывает уникальные возможности для фундаментальных исследований.
Например, при таких температурах можно замедлить движение атомов настолько, что они ведут себя как волновые пакеты. Это позволяет исследовать квантовые эффекты в масштабе отдельных атомов и молекул.
Квантовые сенсоры
Сверххолодные атомные газы могут использоваться в качестве сверхчувствительных датчиков для обнаружения магнитных полей, ускорения, вращения и даже гравитационных волн.
Квантовые стандарты измерения
Определенные квантовые переходы в атомах при сверхнизких температурах могут служить эталоном для создания самых точных в мире стандартов измерения времени и частоты.
Квантовые симуляторы
Контролируя поведение холодных атомов и их взаимодействие друг с другом можно моделировать различные квантовые системы, например, поведение электронов в сверхпроводниках.
Перспективы охлаждения до еще более низких температур
В настоящее время ведутся активные исследования методов дальнейшего охлаждения атомных газов до температур в доли фемтокельвина.
Для этого разрабатываются лазерные системы, позволяющие точно контролировать квантовые состояния отдельных атомов, а также устранять источники нагрева.
Альтернативные подходы к сверхнизким температурам
Помимо лазерного охлаждения атомов, исследуются и другие концепции для достижения рекордно низких температур.
Например, использование эффектов размерного квантования в наноструктурах или явления сверхтекучести в квантовых жидкостях и газах.
В перспективе комбинирование разных подходов может позволить приблизиться вплотную к абсолютному нулю температур.
