Kelvin

Archiu:CelsiusKelvinThermometer.jpg

Termómetro en escales en graus Celsius i kelvin

El kelvin (símbol: K), abans cridat grau Kelvin, és l'unitat de temperatura de la escala creada en 1848 per William Thomson, primer baró de Kelvin, sobre la base del grau Celsius, establint el punt zero en el zero absolut (−273.15 °C) i conservant la mateixa dimensió. Als seus 24 anys, Kelvin va introduir la escala de temperatura termodinàmica, l'unitat de la qual va ser nomenada en el seu honor en 1968.

És una de les unitats bàsiques del Sistema Internacional d'Unitats. Des de la 26.ª Conferència General de Pesos i Mides, celebrada en novembre de 2018, es definix a partir de la constant de Boltzmann, a la que s'ha donat un valor numèric exacte, sense incertitut.

Es definix en fixar el valor numèric de la constant de Boltzmann, k, en 1.380 649 × 10⁻²³, quan s'expressa en l'unitat J·K⁻¹, igual a kg·m²·s^-2·K⁻¹, a on el quilogram, el metro i el segon es definixen en funció de h, c i Δν_Cs.

De la relació exacta k = 1.380 649 × 10⁻²³ kg·m²·s⁻²·K⁻¹ s'obté l'expressió per al kelvin en funció de les constants k, h i Δν_Cs:

$1\text{K}=\frac{1.380649\times 10^{-23}}{(6.62607015\times 10^{-34})(9192631770)}\frac{h\Delta {\nu }_{\text{Cs}}}{k}\approx 2.2666653\frac{h\Delta {\nu }_{\text{Cs}}}{k}$

L'efecte d'esta definició és que el kelvin és igual a la variació de temperatura termodinàmica que dona lloc a una variació d'energia tèrmica kT d'1.380 649 × 10⁻²³ J.

Anteriorment es definia el kelvin com la fracció Plantilla:Sfrac de la temperatura termodinàmica del punt triple de l'aigua. Es representa en la lletra K, mai «°K», puix actualment el seu nom no és el de «graus kelvin», sino simplement «kelvin».

Coincidint l'increment en un grau Celsius en el d'un kelvin, la seua importància radica en el 0 de l'escala: la temperatura de 0 K és denominada «zero absolut», que correspon al punt en el que les molèculas i àtoms d'un sistema tenen la mínima energia tèrmica possible. Cap sistema macroscòpic pot tindre una temperatura inferior. A la temperatura medida en kelvin se li crida «temperatura absoluta» i és l'escala de temperatures que s'usa en ciència, especialment en treballs de física o química.

També en allumenament de fotografia, vídeo i cine s'utilisen els kelvin com a referència de la temperatura de color. Quan un cos negre és calfat, emet llum de diferent color segons la temperatura a la que es troba. D'esta manera, cada color es pot associar a la temperatura a la que deuria estar un cos negre per a emetre en eixe color. És necessari recalcar que la temperatura de color associada a un cos no està relacionada en la seua temperatura real. Per eixemple, 1600 K és la temperatura de color corresponent a l'eixida o posada del sol. La temperatura del color d'una llàntia de filament de wolframio (tungsteno) corrent és de 2800 K. La temperatura de la llum utilisada en fotografia i arts gràfiques és 5500 K (per a considerar-la «llum de dia», lo que no impedix que s'usen atres parts de l'escala per a referir-se a la llum de tungsteno o algunes llànties led) i la del sol al migdia en cel rebujat és de 5200 K. La llum dels dies nuvolats és més blau i és 6000 K o més, aplegant inclús als 11 000 K.

Històricament, l'escala Kelvin es va desenrollar a partir de la escala Celsius, de tal forma que 273.15 K era 0 °C (el punt de fusió aproximat del gèl) i un canvi d'un kelvin equivalia exactament a un canvi d'un grau Celsius. Esta relació seguix sent exacta, pero les escales Celsius, Fahrenheit i Rankine es definixen ara en térmens de l'escala Kelvin. El kelvin és la principal unitat de temperatura per a la ingenieria i les ciències físiques, mentres que en la majoria dels països l'escala Celsius seguix sent l'escala dominant anara d'estos camps. En Estats Units, fòra de les ciències físiques, predomina l'escala Fahrenheit, amprant-se l'escala kelvin o Rankine per a la temperatura absoluta.

Història

Precursors

Archiu:Melting ice thermometer.jpg

Un bany d'aigua en gèl oferia un punt de calibración pràctic per als termómetros en una época anterior a que es comprenguera ben la naturalea física del calor

Durant el XVIII, es varen desenrollar múltiples escales de temperatura, especialment Fahrenheit i centígrats (més vesprada Celsius). Estes escales eren anteriors a gran part de la ciència moderna de la termodinàmica, incloent la teoria atòmica i la teoria cinètica dels gasos que sustenten el concepte de zero absolut. En el seu lloc, varen elegir punts definitorios dins del ranc de l'experiència humana que podien reproduir-se fàcilment i en una precisió raonable, pero que carien de qualsevol significat profunt en la física tèrmica. En el cas de l'escala Celsius (i de les desaparegudes escala de Newton i escala de Réaumur), el punt de fusió del aigua va servir com a punt de partida, definint-se Celsius, des de la década de 1740 fins a la de 1940, calibrant un termómetro de manera que

• El punt de congelació de l'aigua és 0 graus.
• El punt d'ebullició de l'aigua és de 100 graus.

Esta definició supon aigua pura a una pressió específica elegida per a aproximar-se a la pressió natural de l'aire a nivell de la mar. Aixina, un increment de 1 °C equival a Plantilla:Sfrac de la diferència de temperatura entre els punts de fusió i ebullició. Este interval de temperatura es convertiria en el patró del kelvin.Plantilla:Fact

Llei de Charles

Entre 1787 i 1802, va ser determinada per Jacques Charles (sense publicar), John Dalton, i Joseph Louis Gai-Lussac que, a pressió constant, els gasos ideals expandien o contreen el seu volum linealmente (llei de Charles) en aproximadament a Plantilla:Sfrac parts per grau Celsius de canvi de temperatura cap a dalt o cap a avall, entre 0° i 100 °C. Açò sugeria que el volum d'un gas gelat a uns −273 °C aplegaria a zero.

Lord Kelvin

Archiu:Baron Kelvin 1906.jpg

Lord Kelvin, l'homònim de l'unitat de mida.

En 1848, William Thomson, que més vesprada va ser ennoblecido com Lord Kelvin, va publicar un artícul Sobre una escala termomètrica absoluta. Utilisant la pronte desapareguda teoria calòrica, va propondre una escala «absoluta» basada en els següents paràmetros:

• El punt de fusió de l'aigua és 0 graus.
• El punt d'ebullició de l'aigua és 100 graus.

«Els punts arbitraris que coincidixen en les dos escales són 0º i 100º».

• Dos motors tèrmics qualssevol la font dels quals i sumidero de calor estiguen separats pel mateix número de graus seran, segons el teorema de Carnot, capaces de produir la mateixa cantitat de treball mecànic per unitat de «calòric» que passe per ells.

La propietat característica de l'escala que ara proponc és que tots els graus tenen el mateix valor; és dir, que una unitat de calor que descendix d'un cos A a la temperatura T° d'esta escala, a un cos B a la temperatura (T − 1)°, produiria el mateix efecte mecànic, qualsevol que anara el número T. Açò pot ser justament cridat una escala absoluta, ya que la seua característica és prou independent de les propietats físiques de qualsevol substància específica.

Com la teorema de Carnot s'entén en la termodinàmica moderna simplement per a descriure la màxima eficiència en la que energia tèrmica es pot convertir en energia mecànica i l'eficiència màxima predita és una funció de la relació entre les temperatures absolutes de la font de calor i el disipador de calor:

Eficiència ≤ 1 − Plantilla:Sfrac.

D'això es deduïx que increments d'igual número de graus en esta escala deuen representar sempre auments proporcionals iguals de la temperatura absoluta. El valor numèric d'una temperatura absoluta, T}, en l'escala de 1848 està relacionat en la temperatura absoluta del punt de fusió de l'aigua, T_mpw, i la temperatura absoluta del punt d'ebullició de l'aigua, T_bpw, per

• T (escala de 1848) = 100 (ln Plantilla:Sfrac) / (ln Plantilla:Sfrac)

En esta escala, un aument de 222 graus significa sempre una duplicació aproximada de la temperatura absoluta, independentment de la temperatura de partida.

En una nota a peu de pàgina, Thomson va calcular que el «fret infinit» (zero absolut, que tindria un valor numèric d'infinit negatiu en esta escala) equivalia a −273 °C utilisant els termómetros d'aire de l'época. Este valor de «−273» era el recíproc negatiu de 0.00366 —l'acceptat coeficient d'expansió tèrmica d'un gas ideal per grau Celsius relatiu al punt de gèl, donant una notable consistència al valor actualment acceptat—.Plantilla:Fact

En una década, Thomson havia abandonat la teoria calòrica i substituït l'escala de 1848 per una nova basat en els 2 traces que caracterisarien totes les versions futures de l'escala kelvin:

• El zero absolut és el punt nul.
• Els increments tenen la mateixa magnitut que en l'escala Celsius.

En 1892, Thomson va rebre el noble títul de ORD Baró Kelvin de Largs, o més sucintamente Lord Kelvin. Este nom feya referència al riu Kelvin que fluïx pels terrenys de la Universitat de Glasgow.

En les primeres décades de el XX, l'escala Kelvin es denominava a sovint «escala Celsius», indicant els graus Celsius contats a partir del zero absolut en lloc del punt de congelació de l'aigua, i utilisant el mateix símbol per als graus Celsius normals, °C.

Estàndart de punt triple

Plantilla:Stack En 1873, el germà major de William Thomson James va falcar el terme punt triple' per a descriure la combinació de temperatura i pressió a la que les fases sòlida, líquida i gaseosa d'una substància eren capaces de coexistir en equilibri termodinàmic. Encara que dos fases qualssevol poden coexistir a lo llarc d'una série de combinacions de temperatura i pressió (per eixemple, el punt d'ebullició del aigua pot vore's afectat dràsticament per l'aument o la disminució de la pressió), la condició del punt triple per a una substància donada només pot donar-se a una única pressió i a una única temperatura. En la década de 1940, s'havia medit experimentalment que el punt triple de l'aigua se situava entorn al 0.6 % de la pressió atmosfèrica estàndar i molt prop de 0.01 °C segons la definició històrica de Celsius llavors en us.

En 1948, l'escala Celsius es recalibró assignant a la temperatura del punt triple de l'aigua el valor de 0.01 °C exactament i permetent que el punt de fusió a pressió atmosfèrica estàndar tinguera un valor determinat empíricamente (i que el punt de fusió real a pressió ambiente tinguera un valor fluctuante) propenc a 0 °C. Açò es va justificar alegant que es considerava que el punt triple proporcionava una temperatura de referència reproduible en major precisió que el punt de fusió.

En 1954, una volta determinat experimentalment que el zero absolut era aproximadament −273.15 °C segons la definició de °C llavors en us, la Resolució 3 de la 10.ª Conferència General de Peses i Mides (CGPM) va introduir una nova escala Kelvin normalisada internacionalment que definia el punt triple exactament com 273.15 + 0.01 = 273.16 graus Kelvin.

En 1967, la Resolució 3 de la 13.ª CGPM va canviar el nom de l'unitat d'increment de la temperatura termodinàmica per «kelvin», símbol K, en substitució de «grau Kelvin», símbol °K. El 13.º CGPM també va sostindre en la seua Resolució 4 que «El kelvin, unitat de temperatura termodinàmica, és igual a la fracció Plantilla:Sfrac de la temperatura termodinàmica del punt triple de l'aigua. »

Despuix de la redefinició del metro en 1983, el kelvin, el segon i el quilogram varen quedar com les úniques unitats de el SI no definides en referència a cap atra unitat.

En 2005, observant que el punt triple podia vore's influït per la relació isotòpica de l'hidrogen i l'oxigen que componen una mostra d'aigua i que esta era «actualment una de les principals fonts de la variabilitat observada entre les diferents realisacions del punt triple de l'aigua», el Comité Internacional de Peses i Mides (CIPM), un comité de el CGPM, va afirmar que a efectes de delinear la temperatura del punt triple de l'aigua, la definició del kelvin es referiria a l'aigua que tinguera la composició isotòpica especificada per al Aigua Oceànica Mija Estàndar de Viena.

Redefinició de 2019

Artícul principal → Redefinició de les unitats de el SI.

Archiu:Unit relations in the new caps block 87 .svg

El kelvin es fixa ara en térmens de la constant de Boltzmann i el joule, definit a la seua volta per la freqüència de transició hiperfina del cesi-133 i la constant de Planck. Tant k com a k _B s'accepten com a abreviatura de la constant de Boltzmann.

En 2005, el CIPM va iniciar un programa per a redefinir el kelvin (junt en les demés unitats de el SI) utilisant un método més rigorós des del punt de vista experimental. En concret, el comité va propondre redefinir el kelvin tal que la constant de Boltzmann prenga el valor exacte k = 1.380 650 5 × 10⁻²³ J/K. El comité esperava que el programa estiguera terminat a temps per a la seua adopció per el CGPM en la seua reunió de 2011, pero en la reunió de 2011 la decisió es va pospondre fins a la reunió de 2014, quan es consideraria com a part d'un programa més ampli.

La redefinició es va tornar a pospondre en 2014, a l'espera de medicions més precises de la constant de Boltzmann en térmens de la definició actual, pero finalment es va adoptar en la 26.ª CGPM a finals de 2018, en un valor de k = 1.380 649 × 10⁻²³ J/K

A efectes científics, la principal ventaja és que permet realisar medicions a temperatures molt baixes i molt altes en major precisió, ya que les tècniques utilisades depenen de la constant de Boltzmann. També té la ventaja filosòfica de ser independent de qualsevol substància en particular. L'unitat J/K és igual a kg⋅m²⋅s⁻²⋅K⁻¹, a on el quilogram, el metro i el segon es definixen en térmens de la constant de Planck, la velocitat de la llum i la duració de la transició hiperfina de l'estat bàsic del cesi-133, respectivament. Aixina que, esta definició depén únicament de constants universals, i no de cap artefacte físic com es practicava anteriorment. El repte consistia en evitar degradar la precisió de les medicions propenques al punt triple. A efectes pràctics, la redefinició va passar desapercebuda; l'aigua seguix congelant-se a 273.15 K (0 °C), i el punt triple de l'aigua seguix sent una temperatura de referència de laboratori d'us comú.

La diferència és que, abans de la redefinició, el punt triple de l'aigua era exacte i la constant de Boltzmann tenia un valor medit d'1.380 649 03 × 10⁻²³J/K, en una incertitut estàndar relativa de 3.7 × 10⁻⁷. Despuix, la constant de Boltzmann és exacta i l'incertitut es trasllada al punt triple de l'aigua, que ara és 273.1600 K.

La nova definició va entrar oficialment en vigor el 20 de maig de 2019, en el 144 aniversari de la Convenció del Metro.

Usos pràctics

Temperatura de color

Vore també: Constant de Stefan-Boltzmann

El kelvin s'usa a sovint com una mida de la temperatura de color de les fonts de llum. La temperatura de color es basa en el principi de que un radiador de cos negre emet llum en una distribució de freqüència característica de la seua temperatura. Els cossos negres a temperatures per baix de 4000 K apareixen de color rojós, mentres que els de dalt sobre 7500 K apareixen azulados. La temperatura de color és important en els camps de proyecció d'imàgens i fotografia, a on una temperatura de color d'aproximadament 5600 K es requerix per a que coincidixca en les emulsions de película de «llum del dia». En astronomia, la classificació estelar de les estreles i el seu lloc en el diagrama de Hertzsprung-Russell es basen, en part, en la temperatura de la seua superfície, coneguda com temperatura efectiva. La fotosfera del Sol, per eixemple, té una temperatura efectiva de 5778 K.

Les cambres digitals i el software fotogràfic solen utilisar la temperatura de color en K en els menús d'edició i configuració. La guia simple és que una temperatura de color més alta produïx una image en tons blancs i blaus millorats. La reducció en la temperatura del color produïx una image més dominada per rojosos, colors «més càlits».

Kelvin com a unitat de temperatura de soroll

Artícul principal → Factor de soroll.

Per a l'electrònica, el kelvin s'usa com un indicador de cuán sorollós és un circuit en relació en un soroll de fondo final, és dir, la temperatura de soroll. El cridat soroll de Johnson-Nyquist de resistències i capacitores discrets és un tipo de soroll tèrmic derivat de la constant de Boltzmann i es pot usar per a determinar la temperatura de soroll d'un circuit usant les fòrmules de Friis per soroll.

Múltiples de el SI

A continuació una taula dels múltiples i submúltiplos del Sistema Internacional d'Unitats.

Plantilla:SI unitat minúscula

Temperatura i energia

La física estadística diu que en un sistema termodinàmic l'energia continguda per les partícules és proporcional a la temperatura absoluta, sent la constant de proporcionalitat la constant de Boltzmann. Per això és possible determinar la temperatura d'unes partícules en una determinada energia, o calcular l'energia d'unes partícules a una determinada temperatura. Açò es fa a partir del denominat principi o teorema de equipartición. El principi de equipartición establix que l'energia d'un sistema termodinàmic és

a on:

• $k_B$ és la constant de Boltzmann
• $T$ és la temperatura expressada en kelvin
• $n$ és el número de graus de llibertat del sistema (per eixemple, en sistemes monoatómicos a on l'única possibilitat de moviment és la translació d'unes partícules respecte a atres en les tres possibles direccions de l'espai, n és igual a 3).

Caràcter Unicode

El símbol està codificat en Unicode en el punt de còdic Plantilla:Unichar. No obstant, est és un caràcter de compatibilitat proporcionat per a la compatibilitat en codificació heretades. L'estàndart Unicode recomana usar Plantilla:Unichar en canvi; és dir, una capital normal K. «A tres símbols semblats a lletres se'ls ha donat equivalència canònica a lletres regulars: Plantilla:Unichar, Plantilla:Unichar, i Plantilla:Unichar. En els tres casos, es deu utilisar la lletra normal».