Kelvin - Kelvin

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Kelvin
Einheitssystem SI Basiseinheit
Einheit von Temperatur
Symbol K.
Benannt nach William Thomson, 1. Baron Kelvin

Die Kelvin ist die Basiseinheit der Temperatur im Internationalen Einheitensystem (SI), wobei das Einheitssymbol K. Es nach dem Belfast geborenen benannt Glasgow University Ingenieure und Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin (1824-1907).

Der Kelvin wird nun definiert, indem der numerische Wert der Boltzmann-Konstante k auf 1,380 649 × 10 −23 J⋅K −1 festgelegt wird . Diese Einheit ist gleich kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , wobei Kilogramm , Meter und Sekunde in Bezug auf die Planck-Konstante , die Lichtgeschwindigkeit und die Dauer des Cäsium-133- Grundzustands definiert sind Hyperfeinübergang jeweils. Daher hängt diese Definition nur von universellen Konstanten ab und nicht von physikalischen Artefakten, wie sie zuvor praktiziert wurden, wie beispielsweise dem Internationalen Prototyp des Kilogramms , dessen Masse im Laufe der Zeit vom ursprünglichen Wert abwich.

Ein Kelvin entspricht einer Änderung der thermodynamischen Temperatur T , die zu einer Änderung der Wärmeenergie kT um 1,380 649 × 10 –23 J führt.

Die Kelvin - Skala erfüllt Thomsons Anforderungen als absolute thermodynamische Temperatur Skala . Es verwendet den absoluten Nullpunkt als Nullpunkt.

Im Gegensatz zu Grad Fahrenheit und Grad Celsius wird der Kelvin nicht als Grad bezeichnet oder geschrieben . Der Kelvin ist die primäre Einheit der Temperaturmessung in den Naturwissenschaften, wird jedoch häufig in Verbindung mit dem Grad Celsius verwendet, der dieselbe Größe hat.

Geschichte

Lord Kelvin , der Namensvetter der Einheit

1848 schrieb William Thomson, der später als Lord Kelvin geadelt wurde , in seiner Arbeit On a Absolute Thermometric Scale über die Notwendigkeit einer Skala, bei der "unendliche Kälte" (absoluter Nullpunkt) der Nullpunkt der Skala war und der Grad Celsius verwendete für sein Einheiteninkrement. Kelvin berechnete, dass der absolute Nullpunkt auf den damaligen Luftthermometern –273 ° C entsprach. Diese absolute Skala ist heute als thermodynamische Kelvin-Temperaturskala bekannt. Kelvins Wert von "–273" war der negative Kehrwert von 0,00366 - der akzeptierte Expansionskoeffizient von Gas pro Grad Celsius relativ zum Eispunkt, was dem derzeit akzeptierten Wert eine bemerkenswerte Konsistenz verleiht.

In Resolution 3 der 10. Generalkonferenz für Gewichte und Maße (CGPM) wurde der Kelvin-Skala 1954 ihre moderne Definition gegeben, indem der Tripelpunkt des Wassers als zweiter Definitionspunkt festgelegt und seine Temperatur genau 273,16 Kelvin zugewiesen wurde.

In Resolution 3 des 13. CGPM wurde 1967/1968 das Einheitsinkrement der thermodynamischen Temperatur in "Kelvin", Symbol K, umbenannt und "Grad Kelvin", Symbol ° K, ersetzt. Darüber hinaus hielt es das 13. CGPM in Resolution 4 für nützlich, die Größe des Einheitsinkrements genauer zu definieren, und erklärte: "Der Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist gleich dem Bruch 1 /. 273.16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser . "

Im Jahr 2005 bestätigte das Comité International des Poids et Mesures (CIPM), ein Ausschuss des CGPM, dass sich die Definition der thermodynamischen Kelvin-Temperaturskala für die Abgrenzung der Temperatur des Tripelpunkts von Wasser auf Wasser mit einer Temperatur von Kelvin beziehen würde Isotopenzusammensetzung spezifiziert als Vienna Standard Mean Ocean Water .

Am 16. November 2018 wurde eine neue Definition in Bezug auf einen festen Wert der Boltzmann-Konstante angenommen . Mit dieser Änderung wurde der Tripelpunkt von Wasser zu einem empirisch bestimmten Wert von ungefähr 273,16 Kelvin. Aus rechtlichen Gründen trat die neue Definition am 20. Mai 2019, dem 144. Jahrestag der Zählerkonvention, offiziell in Kraft .

Nutzungskonventionen

Nach Angaben des Internationalen Büros für Gewichte und Maße wird die Einheit, wenn sie buchstabiert oder gesprochen wird, nach denselben grammatikalischen Regeln wie für andere SI-Einheiten wie Volt oder Ohm (z. B. "... der Tripelpunkt von Wasser ist genau 273,16) pluralisiert Kelvin "). Wenn auf die "Kelvin- Skala " Bezug genommen wird, funktioniert das Wort "Kelvin" - das normalerweise ein Substantiv ist - adjektivisch , um das Substantiv "Skala" zu modifizieren, und wird groß geschrieben. Wie bei den meisten anderen SI-Einheitensymbolen (Winkelsymbole, z. B. 45 ° 3 '4' 'sind die Ausnahme) befindet sich zwischen dem numerischen Wert und dem Kelvin-Symbol ein Leerzeichen (z. B. "99,987 K"). (Der Styleguide für CERN besagt jedoch ausdrücklich, dass immer "Kelvin" verwendet werden soll, auch im Plural.)

Vor dem 13. CGPM in den Jahren 1967–1968 wurde die Einheit Kelvin als "Grad" bezeichnet, genau wie bei den anderen damaligen Temperaturskalen. Es wurde von den anderen Skalen entweder mit dem Adjektivsuffix "Kelvin" ("Grad Kelvin") oder mit "absolut" ("Grad absolut") unterschieden und sein Symbol war ° K. Der letztere Begriff (Grad absolut), der von 1948 bis 1954 der offizielle Name der Einheit war, war nicht eindeutig, da er auch als Hinweis auf die Rankine-Skala interpretiert werden konnte . Vor dem 13. CGPM war die Pluralform "Grad absolut". Das 13. CGPM änderte den Einheitennamen einfach in "Kelvin" (Symbol: K). Das Weglassen von "Grad" zeigt an, dass es sich nicht um einen beliebigen Bezugspunkt wie die Celsius- und Fahrenheit-Skala handelt (obwohl die Rankine-Skala weiterhin "Grad Rankine" verwendet), sondern um eine absolute Maßeinheit, die algebraisch manipuliert werden kann ( zB multipliziert mit zwei, um die doppelte Menge an "mittlerer Energie" anzuzeigen, die unter den elementaren Freiheitsgraden des Systems verfügbar ist).

2019 Neudefinition

Im Jahr 2005 startete das CIPM ein Programm zur Neudefinition des Kelvins (zusammen mit den anderen SI-Einheiten) unter Verwendung einer experimentell strengeren Methodik. Insbesondere schlug der Ausschuss vor , den Kelvin so neu zu definieren, dass die Boltzmann-Konstante den genauen Wert annimmt 1.380 6.505 × 10 -23  J / K . Der Ausschuss hatte gehofft, dass das Programm rechtzeitig zur Annahme durch die CGPM auf seiner Sitzung 2011 abgeschlossen sein würde, aber auf der Sitzung 2011 wurde die Entscheidung auf die Sitzung 2014 verschoben, wenn es als Teil eines größeren Programms betrachtet werden würde .

Die Neudefinition wurde 2014 weiter verschoben, bis genauere Messungen der Boltzmann-Konstante im Hinblick auf die aktuelle Definition vorgenommen wurden. Sie wurde jedoch schließlich Ende 2018 beim 26. CGPM mit einem Wert von k  = übernommen  1.380 649 × 10 -23  J / K .

Aus wissenschaftlicher Sicht besteht der Hauptvorteil darin, dass Messungen bei sehr niedrigen und sehr hohen Temperaturen genauer durchgeführt werden können, da die verwendeten Techniken von der Boltzmann-Konstante abhängen. Es hat auch den philosophischen Vorteil, unabhängig von einer bestimmten Substanz zu sein. Die Herausforderung bestand darin, eine Verschlechterung der Genauigkeit von Messungen nahe dem Tripelpunkt zu vermeiden. Aus praktischer Sicht wird die Neudefinition unbemerkt bleiben; Wasser gefriert immer noch bei 273,15 K (0 ° C), und der Tripelpunkt von Wasser bleibt weiterhin eine häufig verwendete Laborreferenztemperatur.

Der Unterschied besteht darin, dass vor der Neudefinition der Tripelpunkt des Wassers genau war und die Boltzmann-Konstante einen gemessenen Wert von hatte 1,380 649 03 (51) × 10 –23  J / K mit einer relativen Standardunsicherheit von 3,7 × 10 –7 . Danach ist die Boltzmann-Konstante genau und die Unsicherheit wird auf den Tripelpunkt des Wassers übertragen, der jetzt ist 273.1600 (1) K .

Praktische Anwendungen

Kelvin-Temperaturumrechnungsformeln
von Kelvin zu Kelvin
Celsius [° C] = [K] - 273,15 [K] = [° C] + 273,15
Fahrenheit [° F] = [K] x 9 / 5  - 459,67 [K] = ([° F] + 459,67) × 5 / 9
Rankine [° R] = [K] x 9 / 5 [K] = [R °] × 5 / 9
Für die Temperaturintervalle anstatt spezifische Temperaturen,
1 K = 1 ° C = 9 / 5  ° F = 9 / 5  ° R
Vergleiche zwischen verschiedenen Temperaturskalen

Farbtemperatur

Der Kelvin wird häufig als Maß für die Farbtemperatur von Lichtquellen verwendet. Die Farbtemperatur basiert auf dem Prinzip, dass ein Schwarzkörperstrahler Licht mit einer für seine Temperatur charakteristischen Häufigkeitsverteilung emittiert. Schwarze Körper bei Temperaturen unter etwa 4000 K erscheinen rötlich, während die oben genannten ungefähr 7500 K erscheinen bläulich. Die Farbtemperatur ist wichtig in den Bereichen Bildprojektion und Fotografie , wo eine Farbtemperatur von ungefähr 5600 K sind erforderlich, um "Tageslicht" -Filmemulsionen anzupassen. In der Astronomie basieren die Sternklassifikation von Sternen und ihre Position im Hertzsprung-Russell-Diagramm teilweise auf ihrer Oberflächentemperatur, die als effektive Temperatur bezeichnet wird . Die Photosphäre der Sonne hat zum Beispiel eine effektive Temperatur von 5778 K .

Digitalkameras und Fotosoftware verwenden häufig die Farbtemperatur in K in Bearbeitungs- und Einrichtungsmenüs. Die einfache Anleitung ist, dass eine höhere Farbtemperatur ein Bild mit verbesserten Weiß- und Blautönen erzeugt. Die Verringerung der Farbtemperatur erzeugt ein Bild, das stärker von rötlichen, "wärmeren" Farben dominiert wird .

Kelvin als Einheit der Geräuschtemperatur

In der Elektronik wird der Kelvin als Indikator dafür verwendet, wie laut ein Stromkreis in Bezug auf ein endgültiges Grundrauschen ist , dh die Geräuschtemperatur . Das sogenannte Johnson-Nyquist-Rauschen von diskreten Widerständen und Kondensatoren ist eine Art thermisches Rauschen, das aus der Boltzmann-Konstante abgeleitet wird und zur Bestimmung der Rauschtemperatur einer Schaltung unter Verwendung der Friis-Formeln für Rauschen verwendet werden kann .

Unicode-Zeichen

Das Symbol wird in Unicode am Codepunkt U + 212A K KELVIN SIGN codiert . Dies ist jedoch ein Kompatibilitätszeichen, das für die Kompatibilität mit Legacy-Codierungen bereitgestellt wird. Der Unicode-Standard empfiehlt stattdessen die Verwendung von U + 004B K LATIN CAPITAL LETTER K ; Das heißt, eine normale Kapital K . "Drei buchstabenähnliche Symbole wurden mit regulären Buchstaben kanonisch gleichgesetzt: U + 2126 Ω OHM-ZEICHEN , U + 212A K KELVIN-ZEICHEN und U + 212B Å ANGSTROM-ZEICHEN . In allen drei Fällen sollte der reguläre Buchstabe verwendet werden."

Siehe auch

Verweise

Externe Links