Кельвин

Эта статья — о единице измерения. О лорде Кельвине см. Томсон, Уильям (лорд Кельвин).

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: 1,380 649⋅10⁻²³ Дж/К. До 2019 года определялся как 1 / 273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы совпадает с абсолютным нулём (0 К по шкале).

Битермометр со шкалами, градуированными в градусах Цельсия (левая шкала) и кельвинах (правая шкала)

Пересчёт в градусы Цельсия:

$t_{\text{C}}=t_{\text{K}}-273{,}15$ (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, протекающей через территорию университета Глазго.

До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина.

История

1848

Уильям Томсон (лорд Кельвин)

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» (англ. 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. 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

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).

1967/1968

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.

2005

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. Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, изотопный состав которой определён следующими соотношениями:

• 0,000 155 760 моля ²H на один моль ¹Н,
• 0,000 379 900 моля ¹⁷О на один моль ¹⁶О,
• 0,002 005 200 моля ¹⁸О на один моль ¹⁶О.

2018

На 26-й 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

Основная статья: Изменения определений основных единиц СИ (2018)

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, 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:

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 м²·кг·с⁻²·К⁻¹, что эквивалентно Дж·К⁻¹.

Таким образом, стало выполняться точное равенство k = 1,380 6X⋅10⁻²³ Дж/К. Следствием этого явилось то, что кельвин стал равным изменению температуры, которое приводит к изменению энергии kT/2, приходящейся на одну степень свободы, на k/2, то есть на (1 / 2) × 1,380 6X⋅10⁻²³ Дж.

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.

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.

Кратные и дольные единицы

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. «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.

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
101 К	декакельвин	даК	daK	10−1 К	децикельвин	дК	dK
102 К	гектокельвин	гК	hK	10−2 К	сантикельвин	сК	cK
103 К	килокельвин	кК	kK	10−3 К	милликельвин	мК	mK
106 К	мегакельвин	МК	MK	10−6 К	микрокельвин	мкК	µK
109 К	гигакельвин	ГК	GK	10−9 К	нанокельвин	нК	nK
1012 К	теракельвин	ТК	TK	10−12 К	пикокельвин	пК	pK
1015 К	петакельвин	ПК	PK	10−15 К	фемтокельвин	фК	fK
1018 К	эксакельвин	ЭК	EK	10−18 К	аттокельвин	аК	aK
1021 К	зеттакельвин	ЗК	ZK	10−21 К	зептокельвин	зК	zK
1024 К	йоттакельвин	ИК	YK	10−24 К	иоктокельвин	иК	yK
1027 К	роннакельвин	РнК	RK	10−27 К	ронтокельвин	рнК	rK
1030 К	кветтакельвин	КвК	QK	10−30 К	квектокельвин	квК	qK
рекомендовано к применению  применять не рекомендуется

Диаграмма перевода температур

Цветовая температура

Основная статья: Цветовая температура

Кельвин также применяется для измерения цветовой температуры, характеризующей распределение интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Цветовая температура определяется как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение.

Примеры цветовой температуры различных источников света:

• 1500—2000 К — свет пламени свечи;
• 2800 К — лампа накаливания 100 Вт (вакуумная лампа);
• 3400 К — солнце у горизонта;
• 3500 К — люминесцентная лампа белого света;
• 6500 К — стандартный источник дневного белого света, близкий к полуденному солнечному свету;
• 9500 К — синее безоблачное небо на северной стороне перед восходом Солнца;
• 20000 К — синее небо в полярных широтах.

Юникод

Символ кельвина в Юникоде находится в диапазоне «буквоподобных символов» и кодируется как U+212A K KELVIN SIGN (HTML-символ — K).

Ссылки

• Определение Кельвина (англ.). BIPM. Дата обращения: 19 февраля 2021. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 года.
• Bureau International des Poids et Mesures. The International System of Units (SI) Brochure (англ.). — International Committee for Weights and Measures, 2006. — Vol. 8th Edition.
• Convert different temperature units (Celsius, Fahrenheit, Rankine, Réaumur, kelvin)