Температурная шкала Кельвина, названная в честь британского физика лорда Кельвина, является абсолютной термодинамической шкалой температуры. В отличие от шкалы Цельсия, имеющей условную нулевую отметку, шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля (-273,15°C), что соответствует полному отсутствию теплового движения частиц.
История создания шкалы Кельвина
В 1848 году британский ученый Уильям Томсон, взявший титул лорда Кельвина, предложил абсолютную температурную шкалу, начало которой совпадает с абсолютным нулем. Это состояние, при котором прекращается тепловое движение частиц. Томсон теоретически обосновал значение абсолютного нуля как -273°C.
Первоначально за нулевое значение была принята температура тройной точки воды (0,01°C). Это особое агрегатное состояние воды, при котором одновременно сосуществуют все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. В 1954 году на Х Генеральной конференции мер и весов было установлено значение 273,16 K для температуры тройной точки воды. Таким образом была окончательно определена шкала Кельвина.
Соотношение шкал Цельсия и Кельвина
Как уже было сказано, начало шкалы Кельвина совпадает с абсолютным нулем и равно -273,15°С. Следовательно, температурные шкалы Цельсия и Кельвина находятся в прямой зависимости:
- 0 K = -273,15°C
- 1 K = -272,15°C
Для пересчета температуры из шкалы Цельсия в Кельвин и наоборот используется следующая формула:
T(K) = T(°C) + 273,15
Где:
- T(K) - температура по шкале Кельвина
- T(°C) - температура по шкале Цельсия
Применение шкалы Кельвина
Кельвин, температура применяется во многих областях науки и техники. В частности, шкала Кельвина используется в термодинамике для описания тепловых процессов. Поскольку нуль Кельвина соответствует полному отсутствию тепловой энергии, расчеты на основе этой шкалы оказываются более точными и удобными.
Также температура в кельвинах часто используется для описания свойств веществ при экстремально низких температурах. К примеру, исследования сверхпроводимости, сверхтекучести и других квантовых эффектов при температурах близких к абсолютному нулю.
Еще одним важным применением является характеристика цветовой температуры источников света. Цветовая температура измеряется в кельвинах и показывает баланс синего и красного оттенков в спектре излучения.
Достоинства шкалы Кельвина
По сравнению с Цельсием, Фаренгейтом и другими температурными шкалами, Кельвин имеет ряд преимуществ:
- Абсолютный нуль в качестве начала отсчета;
- Простой пересчет из Цельсия;
- Удобство в термодинамических расчетах;
- Точность при низких температурах.
Благодаря этим достоинствам, шкала Кельвина получила широкое распространение в науке и технике. Особенно в областях, требующих высокой точности измерения температуры.
Удобство пользования
Температурная шкала Кельвина, предложенная в середине XIX века, является удобной абсолютной шкалой для научных исследований и инженерных расчетов. Определение нуля Кельвина как абсолютного нуля (-273,15°C) позволяет более точно описывать тепловые процессы и свойства веществ при низких температурах.
По сравнению с Цельсием и Фаренгейтом, Кельвин имеет ряд преимуществ и поэтому широко используется в физике, химии, криогенике, астрофизике и других областях науки и техники.
Технические аспекты шкалы Кельвина
Хотя концептуально шкала Кельвина проста, на практике ее реализация требует точных измерительных приборов и стандартных образцов. Для измерения используются специальные термометры - кельвинметры, откалиброванные в единицах Кельвина.
Определение температуры тройной точки воды требует высокой степени очистки воды и точного поддержания давления для сохранения равновесия фаз. Поэтому в качестве вторичных эталонов используются сплавы металлов, температуры плавления которых соответствуют определенным значениям в кельвинах.
Методы измерения низких температур
Для "переводить температуру кельвины" в области криогеники, то есть при температурах ниже 120 K, используются специальные датчики - криорезисторы, криодиоды, термопары. Их показания откалиброваны по эталонным точкам, соответствующим фазовым переходам различных веществ.
Например, точкой отсчета может служить температура кипения жидкого гелия - 4,2 K. Для измерения температур вплоть до абсолютного нуля используется эффект размагничивания парамагнитных солей или ядерный магнитный резонанс.
Применение в оптике и спектроскопии
Переводить цветовую температуру светового излучения в кельвины необходимо для корректной цветопередачи в оптических приборах. Цветовая температура характеризует спектральный состав излучения и степень преобладания "теплых" красно-оранжевых или "холодных" сине-фиолетовых тонов.
При спектральном анализе тоже применяется шкала Кельвина для определения температуры источников оптического излучения. Например, по спектру можно оценить температуру поверхности звезды или химического пламени.
Проблемы практической реализации
Несмотря на кажущуюся простоту, практическое воспроизведение шкалы Кельвина сопряжено с рядом трудностей метрологического характера. Это связано с влиянием изотопного состава воды на температуру фазовых переходов, неидеальностью свойств реальных газов и другими факторами.
Поэтому ученые работают над созданием новых, более стабильных эталонов температуры на основе фундаментальных физических констант. Это позволит повысить воспроизводимость единицы Кельвина на разных эталонах в разных странах.
Перспективы развития
В будущем возможно новое переопределение Кельвина через фиксированные значения фундаментальных констант. Это сделает шкалу независимой от свойств конкретных веществ и повысит точность измерений.
Кроме того, идет разработка принципиально новых метрологических эталонов температуры, основанных на квантовых эффектах. Такие эталоны будут определять Кельвин по фундаментальным законам природы, а не эмпирическим свойствам веществ.
Уточнение определения Кельвина
Несмотря на широкое использование, определение Кельвина через температуру тройной точки воды имеет существенный недостаток. Зависимость этой температуры от чистоты и изотопного состава воды вносит неопределенность в воспроизведение единицы.
Поэтому в 2019 году было принято новое определение Кельвина через численное значение постоянной Больцмана. Теперь один Кельвин - это приращение термодинамической температуры, которое соответствует приращению тепловой энергии на k/2, где k - постоянная Больцмана.
Влияние на измерения температуры
Новое определение не повлияет на измерение температуры в бытовых и технических приложениях. Показания всех существующих термометров останутся прежними. Однако для самых точных измерений потребуется перекалибровка эталонов.
В частности, температура тройной точки воды больше не будет фиксированной величиной, а станет экспериментально определяемой. Со временем для ее измерения могут потребоваться более совершенные методы.
Унификация эталонов
Новое определение Кельвина через фундаментальную константу позволит унифицировать и улучшить воспроизводимость эталонов в разных странах. Ранее из-за различий в применяемой воде возникали трудности при сличении эталонов.
Теперь эталоны можно будет создавать, не прибегая к использованию воды. Это упростит их конструкцию и повысит стабильность показаний. В будущем появятся единые эталоны температуры, основанные на квантовых эффектах.
Перспективы применения Кельвина
Благодаря новому определению открываются перспективы применения шкалы Кельвина в областях на стыке физики, химии и биологии. Например, для характеристики тепловых процессов в живых клетках или для исследования фазовых переходов на квантовом уровне.
Точность определения температуры через постоянную Больцмана в принципе ограничена только квантовыми эффектами. Это открывает путь к изучению природы на глубоком фундаментальном уровне.
