Кельвин
Обозначение: KВесь мир (научное применение)
Что такое Кельвин (K)?
Формальное определение
Кельвин (обозначение: К, международное: K) — базовая единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ). С 20 мая 2019 года определяется через фиксированное числовое значение постоянной Больцмана k = 1,380649 × 10⁻²³ Дж/К. Это определение связывает кельвин с фундаментальным соотношением между температурой и средней кинетической энергией частиц: kT представляет тепловую энергию на степень свободы на частицу.
Кельвин — абсолютная шкала температуры: её нулевая точка (0 K) соответствует абсолютному нулю — самой низкой возможной температуре, при которой прекращается классическое тепловое движение. Отрицательных температур на шкале Кельвина в классической термодинамике не бывает. Один кельвин равен по величине одному градусу Цельсия: изменение температуры на 1 К — то же самое, что изменение на 1 °C. Шкала Кельвина смещена относительно шкалы Цельсия ровно на 273,15: K = °C + 273,15.
Примечание о терминологии
Кельвин записывается без знака градуса — «кельвин», а не «градус кельвина», и «K», а не «°K». Эта конвенция принята 13-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 году, чтобы подчеркнуть, что кельвин — абсолютная единица, а не относительная шкала. Единица названа в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина (1824–1907), ирландско-шотландского физика, первым предложившего концепцию абсолютной температурной шкалы.
Этимология
Уильям Томсон, лорд Кельвин
Кельвин назван в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина (1824–1907), одного из важнейших физиков XIX века. Родившись в Белфасте, Томсон стал профессором натуральной философии в Университете Глазго в возрасте 22 лет и занимал эту должность 53 года. В 1892 году он был возведён в пэрство как барон Кельвин из Ларгса, взяв титул от реки Кельвин, протекающей мимо Университета Глазго.
Томсон предложил концепцию абсолютной шкалы температуры в 1848 году, рассуждая из принципов теории тепловых машин Карно, что должна существовать естественная нулевая точка температуры.
От «градуса Кельвина» к «кельвину»
Первоначально единица называлась «градус Кельвина» (обозначение: °K). В 1967 году 13-я ГКМВ убрала слово «градус», и обозначение стало просто «K». Это изменение было сделано для отличия кельвина от шкал Цельсия и Фаренгейта, которые измеряют температуру относительно произвольных точек отсчёта.
Точное определение
Определение через постоянную Больцмана
С 20 мая 2019 года кельвин определяется через фиксированное значение постоянной Больцмана k = 1,380649 × 10⁻²³ Дж/К. Это означает, что один кельвин соответствует изменению тепловой энергии kT ровно на 1,380649 × 10⁻²³ джоуля на частицу на степень свободы.
Предыдущее определение
До 2019 года кельвин определялся через фиксацию тройной точки воды при точно 273,16 К (0,01 °C). Один кельвин составлял точно 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды.
Практическая реализация
Кельвин реализуется экспериментально методами первичной термометрии: акустической газовой термометрией, термометрией шума Джонсона и диэлектрической газовой термометрией. Для практической калибровки Международная температурная шкала 1990 года (МТШ-90) определяет реперные точки от 0,65 К до 1357,77 К.
История
Концепция абсолютного нуля
Идея о том, что температура имеет естественный нижний предел, постепенно формировалась в XVIII–XIX веках. В 1702 году Гийом Амонтон наблюдал, что давление воздуха в газовом термометре постоянного объёма линейно уменьшается с температурой, и экстраполировал, что давление обратится в ноль приблизительно при -240 °C. К 1840-м годам несколько учёных оценили абсолютный ноль приблизительно в -273 °C.
Предложение Уильяма Томсона
В 1848 году Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин) поставил концепцию абсолютной температуры на строгую теоретическую основу. Опираясь на теорию тепловых машин Карно, Томсон показал, что КПД идеальной тепловой машины зависит только от отношения температур горячего и холодного резервуаров. Это требовало температурной шкалы с истинной нулевой точкой.
Международное принятие
В 1954 году 10-я ГКМВ формально определила кельвин, установив тройную точку воды при ровно 273,16 К. В 1967 году 13-я ГКМВ переименовала единицу из «градуса Кельвина» (°K) в просто «кельвин» (K).
Переопределение 2019 года
Переопределение 2019 года заменило водное определение определением через постоянную Больцмана. Это освободило кельвин от зависимости от конкретного вещества (воды определённого изотопного состава) и связало его с фундаментальной постоянной природы. Практическое влияние на измерение температуры было пренебрежимо малым, но концептуальный сдвиг оказался глубоким.
Современное применение
В физике и химии
Кельвин — стандартная единица температуры в физике и химии по всему миру. Термодинамические уравнения — уравнение идеального газа (PV = nRT), закон Стефана-Больцмана (P = σT⁴), распределение Больцмана и закон излучения Планка — все требуют абсолютной температуры в кельвинах.
В астрономии и астрофизике
В астрономии кельвин — стандарт для выражения звёздных температур, температур планет и реликтового излучения. Температура поверхности Солнца — приблизительно 5778 К. Температура реликтового излучения — 2,725 К. Ядра массивных звёзд достигают миллиардов кельвинов.
В цветовой температуре
Кельвин используется для описания цветовой температуры источников света. Тёплая лампа накаливания — приблизительно 2700 К. Дневной свет — от 5000 до 6500 К. Ясное голубое небо — 10 000–15 000 К. Потребители встречают значения в кельвинах на упаковках ламп и в настройках дисплеев.
В криогенике и сверхпроводимости
В криогенике температуры вблизи абсолютного нуля выражаются в кельвинах (или милликельвинах и микрокельвинах). Жидкий азот кипит при 77 К. Жидкий гелий — при 4,2 К. Высокотемпературные сверхпроводники работают ниже приблизительно 93 К. Разбавительные рефрижераторы для квантовых компьютеров достигают милликельвиновых температур.
Применение в быту
Не повседневная единица
Кельвин редко используется в повседневной жизни за пределами науки. Обычные люди измеряют температуру в градусах Цельсия (большая часть мира) или Фаренгейта (США). Кельвин появляется в повседневных контекстах только через цветовую температуру — например, при выборе ламп (2700 К = тёплый белый, 4000 К = нейтральный белый, 5000 К+ = дневной свет) или при настройке баланса белого в фотографии.
Маркировка ламп
Наиболее распространённая повседневная встреча с кельвинами — на упаковках ламп. Светодиодные и компактные люминесцентные лампы маркируются цветовой температурой в кельвинах: 2700 К — тёплый желтоватый свет, 3000 К — чуть холоднее, 4000 К — нейтральный белый, 5000–6500 К — дневной свет.
Фотография и видеосъёмка
Фотографы и видеографы постоянно работают с значениями в кельвинах для настройки баланса белого. Баланс белого камеры может устанавливаться вручную в кельвинах: 3200 К для ламп накаливания, 5500 К для дневного света, 7000 К и выше — для тени или пасмурной погоды.
В науке и промышленности
Термодинамика
Кельвин фундаментален для термодинамики. Законы термодинамики сформулированы с использованием абсолютной температуры. Второе начало, энтропия и понятие термодинамического равновесия — все требуют температуры, измеренной от абсолютного нуля. КПД Карно η = 1 - T_хол/T_гор требует кельвинов.
Квантовая механика
В квантовой механике температура появляется через фактор Больцмана e^(-E/kT), описывающий вероятность нахождения системы в состоянии с энергией E при температуре T. Квантовые компьютеры работают при милликельвиновых температурах (обычно 10–20 мК в разбавительных рефрижераторах).
Космология
Температура реликтового излучения — 2,725 К — одна из наиболее точно измеренных величин в космологии. При примерно 3000 К первичная плазма остыла достаточно для образования атомов (эпоха рекомбинации), сделав Вселенную прозрачной для фотонов.
Материаловедение
Материаловедение использует кельвин для температур фазовых переходов, тепловых свойств и характеристик материалов. Критические температуры сверхпроводников (Tc), температуры Кюри для магнитных переходов и температуры стеклования указываются в кельвинах.
Метрология
В метрологии кельвин определяет шкалу, к которой прослеживаются все измерения температуры. Международная температурная шкала 1990 года (МТШ-90) обеспечивает практические реперные точки от 0,65 К до 1357,77 К.
Интересные факты
Абсолютный ноль (0 К) — самая низкая возможная температура, при которой прекращается всё классическое тепловое движение. Учёные охлаждали вещество до миллиардных долей кельвина от абсолютного нуля, но третье начало термодинамики утверждает, что достижение точно 0 К физически невозможно.
Реликтовое излучение — послесвечение Большого взрыва — имеет температуру 2,725 К, что делает его наиболее точно измеренным чернотельным излучением во Вселенной.
Кельвин изначально назывался «градус Кельвина» (°K) до 1967 года, когда ГКМВ убрала «градус», чтобы подчеркнуть, что кельвин — абсолютная единица, а не относительная шкала. Правильная запись — «K» без знака градуса.
Уильям Томсон (лорд Кельвин) стал профессором в Университете Глазго в 22 года и занимал должность 53 года. Он взял титул пэрства от реки Кельвин, протекающей мимо университета, а не от единицы температуры.
Температура поверхности Солнца — приблизительно 5778 К, а его ядра — около 15 миллионов К. Ядра самых массивных звёзд могут превышать 3 миллиарда К.
Квантовые компьютеры работают при температурах около 10–20 милликельвинов (0,010–0,020 К), холоднее, чем открытый космос. Разбавительные рефрижераторы достигают этих температур путём смешивания изотопов гелия-3 и гелия-4.
Цветовая температура в кельвинах описывает оттенок света: 2700 К — тёплый (желтоватый), 5500 К — дневной (белый), 10 000+ К — холодный (голубоватый). Это наиболее распространённая повседневная встреча с кельвинами — на этикетках ламп.
Планковская температура — приблизительно 1,416 × 10³² К — теоретический максимум температуры в физике, соответствующий условиям в первые 10⁻⁴³ секунды после Большого взрыва.
Жидкий азот кипит при 77 К (−196 °C), а жидкий гелий — при 4,2 К (−269 °C). Эти криогенные жидкости — незаменимые инструменты в низкотемпературной физике.
Переопределение кельвина 2019 года через постоянную Больцмана означает, что температура теперь определяется через энергию теплового движения — пожалуй, наиболее физически интуитивное определение.
Региональные особенности
Универсальное научное использование
Кельвин используется одинаково по всему миру во всех научных контекстах. Региональных вариаций в определении, обозначении или применении не существует.
Повседневные температурные шкалы
Хотя кельвин — официальная единица температуры СИ, повседневная коммуникация различается по регионам. Большая часть мира использует Цельсий; США — Фаренгейт. Кельвин универсально понятен учёным, но редко используется населением.
Стандарты цветовой температуры
Цветовая температура в кельвинах используется по всему миру в освещении и фотографии без региональных различий. Лампа «2700 К» имеет одинаковую цветовую температуру повсюду.
Криогенные исследования
Криогенные исследовательские центры по всему миру — ЦЕРН в Швейцарии, Фермилаб в США, KEK в Японии, ОИЯИ в России — все используют кельвины и милликельвины. МТШ-90 одинакова по всему миру.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Цельсий (°C) | 273,15 K = 0 °C | Конвертировать → |
| Фаренгейт (°F) | 273,15 K = 32 °F | Конвертировать → |