Чему равна комнатная температура по шкале кельвина

Известно, что в мире активно используются, как минимум, три температурные шкалы: шкала Цельсия, шкала Фаренгейта и шкала Кельвина. Но только третья из них, так называемая абсолютная (термодинамическая) шкала температур, применяется, главным образом, для научных целей. Познакомимся с этой шкалой.

Вы уже знаете, что тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией, в результате чего наблюдаются переходы некоторого количества теплоты от одного тела к другому или другим телам. Запомним: тепловое (термодинамическое) равновесие – это такое состояние тел, находящихся в контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными, например, давление, внутренняя энергия, массы и объёмы частей тел и др. В состоянии теплового равновесия температура всех тел и их частей одинакова.

Для измерения температуры используются термометры, которых позволяют судить о величине температуры по изменению какого-либо физического параметра термометра, например, объёма жидкости. Однако различные жидкости расширяются по-разному, что ограничивает области применения термометров, заполненных конкретными жидкостями. Особое место в физике занимают газовые термометры, в которых вместо жидкости используется разреженный газ, например, гелий или даже воздух (см. рисунок).

Опыты показывают, что давление газа при постоянном объёме и концентрации молекул (n) увеличивается с ростом температуры (см. непрерывную линию графика). Продолжая экспериментально полученную линию графика в область всё более низких давлений, можно определить некоторую «гипотетическую» температуру, при которой давление порции газа стало бы равным нулю: эта температура равна –273°С и не зависит от вида газа, использованного для построения непрерывной линии графика. Мы назвали температуру «гипотетической», так как она оказывается недостижима на практике.

Английский физик У. Кельвин (Томсон) в 1848 г. предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале единица измерения температуры (градус) такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута: T = t° + 273. Единица температуры по шкале Кельвина – кельвин (обозначение: К). Например, комнатная температура t° = 20°С по шкале Кельвина будет равна: T = 20 + 273 = 293 К. Температурная шкала Кельвина называется абсолютной (термодинамической) шкалой температур.

Газовые термометры громоздки и неудобны для практического применения, поэтому они используются только в качестве стандарта (эталона) для калибровки и поверки других термометров. Они могут быть любыми: жидконаполненными, твердотельными или даже электрическими.

Вы знаете, что давление газа является результатом многочисленных ударов молекул газа о дно и стенки сосуда. Каждый из ударов тем сильнее, чем больше энергия молекулы. Наряду с этим, общее число ударов зависит от концентрации молекул газа (n). Таким образом, вполне естественно, что давление газа связано с концентрацией молекул и с энергией их движения, которая зависит от температуры газа.

Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим, поскольку в таком случае энергия движения молекул должна стать равной нулю. В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса; достичь же его самого, согласно законам термодинамики, невозможно.

(C) 2013. Нутерман Борис Михайлович (г. Томск)

Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей

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: 1,380649 × 10 -23 Дж / К. До 2019 года определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [1] . Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.

Читайте также:  Как измерить диагональ экрана телевизора

t C = t K − 273 , 15 <displaystyle t_=t_-273,15> (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 [en] , протекающей через территорию университета Глазго.

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

Содержание

История [ править | править код ]

1848 [ править | править код ]

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» («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 [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:

  • 0,000 155 76 моля 2 H на один моль 1 Н
  • 0,000 379 9 моля 17 О на один моль 16 О
  • 0,002 005 2 моля 18 О на один моль 16 О [7] .

2018 [ править | править код ]

На 26-ой 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 [ править | править код ]

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 м 2 ·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, приходящейся на одну степень свободы k T 2 <displaystyle <frac <2>>> на k⁄2, то есть на ½⋅1,380 6X⋅10 −23 Дж.

Читайте также:  Как вставить фрейм в html

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 [ править | править код ]

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] .

Самой известной температурной шкалой в большинстве стран мира с XVIII века служила шкала измерения градусного режима по Цельсию ( о С). Другая температурная шкала, предложенная в XIX веке, внесла уточнения в шкалу по Цельсию и стала самой точной системой определения сверхнизких температур. Новая шкала выявила некую постоянную величину термодинамической точки воды, которую назвали «кельвин» (К).

Однако даже с дополнениями и уточнениями по Кельвину, в современном мире пользуются в основном системой определения градусов по Цельсию. Хотя, в США или на Ямайке, использовали в старые времена и придерживаются до сих пор показателей ещё одной шкалы определения температур, предложенной Фаренгейтом.

Измерения по Цельсию

Система измерения температурного градуса по Цельсию взяла своё название по имени Андерса Цельсия, шведского физика, разработавшего в 1742 году шкалу измерения температур. Учёный предположил, что такие физические процессы, как закипание воды, или таяние льда, напрямую зависят от давления в окружающей атмосфере. Это затрудняло исследования по определению точных показаний.

Шкала по Цельсию имела диапазон от 0 до 100 градусов со знаком «+», который продолжается вниз или вверх до бесконечности. Это являлось проблемой для точного измерения величин, поскольку известно, что ниже +4 °C вода имеет свойство расширяться и при дальнейшем понижении температуры даёт неправильные показания градусных значений.

Пересмотрена и модернизирована шкала температур по Цельсию была лишь после одобрения научным миром разработок физика Уильяма Томсона (Кельвина). Именно тогда была представлена постоянная температурная величина и принято определение, что 1 градус Цельсия равен 274,15 Кельвинам.

Температура в Кельвинах

Такое название дано новой температурной единице по имени англичанина У. Томсона, впоследствии за неоценимые заслуги в развитии физики, получившего звание лорда Кельвина Ларгского. Им в 1848 году была предложена градусная единица для расчёта показаний температур в таком виде:

1 кельвин = 1/273,16 части температуры тройной точки воды.

По новой шкале отсчёт температуры начинается с абсолютного нуля. Под абсолютным нулём понимается состояние, равное величине минимальной внутренней энергии тела. Приведённое тождество можно охарактеризовать иначе:

1 К = 1/273,16 расстояния от абсолютного нуля до точки воды.

Тройная точка воды – это состояние равновесия пара, воды и льда. Абсолютный ноль по Томсону (0 К), это точка температуры, при которой прекращается движение молекул, газы не имеют никакого объёма, и называется такое их состояние – состоянием идеального холода. Достичь абсолютного нуля невозможно, но, благодаря расчётам учёного, удалось максимально к этому приблизиться. Весь смысл научных трудов сводился к тому, что вести подсчёты по такой шкале, где началом служит постоянная величина, принятая за абсолютный нуль, гораздо проще.

Читайте также:  Реестр заблокированных ip адресов

В новой шкале отсутствуют отрицательные величины. 0 К считается самой низкой температурой, которая возможна на Земле. Так, с точки зрения физиков и математиков, легче вычислять температуры, усреднять значения или выводить взаимоотношения плюсовых и минусовых градусов. Однако, когда речь идёт о значениях температур, представленных в Кельвинах, термин «градусы» не используют, ведь по шкале Томпсона значения определяются не градусами, а «абсолютной температурой».

Сравнение двух температурных величин

Принятая абсолютная температурная величина 0 К взята за начало отсчёта по шкале Кельвина. Вплоть до 1968 г. новая мера градусной величины именовалась «градусом Кельвина», по подобию с «градусом Цельсия». Впоследствии научное сообщество, во главе с Генеральной комиссией, ответственной за обозначения мер и весов, официально переименовала температурную единицу в «кельвин», с сокращённым обозначением «К» и относительной величиной к Цельсию ( о С) равной: С/К = 1/274,15.

Существующая шкала температур Кельвина применяется чаще в научном мире, в химии, математике и физике, в частности – термодинамике. Далеко не всем понятно определение, что под К понимается термодинамическая температура тройной точки воды. И если простому обывателю знания температурных режимов необходимы на уровне погоды или приготовления пищи, то учёные используют в своих экспериментах ту систему, которая для конкретной работы представляется наиболее удобной.

Изучение технических определений, использующих данные шкалы Кельвина, введено в программу физико-математических вузов, или применяется для школьных классов с углублённым изучением данных предметов. Температурная шкала Кельвина как раз является более рациональной, нежели общераспространённая шкала Цельсия, при таких случаях, как, например, измерение цветовой температуры в лампах накаливания, осветительных приборах профессионального назначения (можно встретить обозначения 3000K; 6000K на фотокамерах, что говорит о яркости, качестве, др. температурных характеристиках прибора).

Как перевести значения

Теперь, зная выведенные постоянные величины, переводить Кельвины в Цельсии и наоборот достаточно просто. Для этого нужно всего лишь к показанию градусов Цельсия добавить постоянную Кельвина.

Пример 1:

  • температура замерзания воды 0 о С;
  • по шкале Томпсона (Кельвина) 0 о С – это 273,16 К;
  • температура замерзания воды в «кельвинах» будет 273,16 К.

Пример 2:

  • температура кипения воды равна 100 градусов по Цельсию (t =100 о С);
  • 100 + 273,16 = 373,16;
  • температура кипения воды в «кельвинах» равна 373,16 К.

Пример 3:

Нужно перевести 100 К в о С.

Если необходимо выполнить перевод «кельвинов» в градусы Цельсия, то надо из величины, взятой по шкале Томпсона (Кельвина), вычесть величину абсолютного нуля, равную 273,16.

Абсолютный нуль по Кельвину в переводе на шкалу Цельсия равен:

Измерения по Фаренгейту

Конвертацию значений из Фаренгейта в градусы Цельсия можно осуществить по несложным правилам, учитывая тот факт, что точка замерзания по Цельсию на 32 единицы ниже, чем по Фаренгейту.

Пример:

  • 1°F = (1–32) * 0,55555 = – 17 °C;
  • 10°F = (10–32) * 0,55555 = – 12 °C;
  • 32°F = (32–32) * 0,55555 = 0 °C;
  • 50°F = (50–32) * 0,55555 = +10 °C;
  • и т. д.

Однако, при обратной конвертации из Цельсия в Фаренгейты, расчёты по приведённой системе будут неточными, поэтому лучше прибегнуть к разработанной Фаренгейтом таблице. А также можно воспользоваться онлайн-калькулятором, размещённым на любом тематическом сайте. Показатели принятой таблицы перевода величин и расчётные данные по онлайн-калькулятору выглядят так:

  • 0 0 С = 32 F;
  • 1 0 С = 33,8 0 F;
  • 10 0 С = 50 0 F;
  • 100 0 С = 212 0 F.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *