Kelvin -Kelvin

kelvin
CelsiusKelvinThermometer.jpg
Termometro con segni in Celsius e in Kelvin
Informazione Generale
Sistema unitario Sistema internazionale di unità (SI)
Unità di Temperatura
Simbolo K
Prende il nome William Thomson, primo barone Kelvin
Conversioni
x  K in ... ... è uguale a ...
   Unità SI    x  - 273,15  °C
   Unità imperiali / americane    1,8 (  x  - 273,15) + 32  °F
   Scala assoluta imperiale/statunitense    1,8  x  °Ra

Il kelvin , simbolo K, è l' unità di base SI della temperatura , dal nome dell'ingegnere e fisico William Thomson, primo barone Kelvin (1824–1907) , nato a Belfast e con sede all'Università di Glasgow . La scala Kelvin è una scala di temperatura termodinamica assoluta , il che significa che utilizza lo zero assoluto come punto zero.

La scala Kelvin è stata sviluppata spostando il punto di partenza della scala Celsius molto più antica dal punto di fusione dell'acqua allo zero assoluto, e i suoi incrementi si avvicinano ancora molto alla definizione storica di un grado Celsius, ma dal 2019 la scala è stata definita da fissando la costante di Boltzmann k a1.380 649 × 10 −23  J⋅K −1 . Quindi, un kelvin è uguale a una variazione della temperatura termodinamica T che si traduce in una variazione dell'energia termica kT di1.380 649 × 10 -23  J . La temperatura in Celsius è ora definita come la temperatura in kelvin meno 273,15, il che significa che una variazione o differenza di temperatura ha esattamente lo stesso valore quando espressa in kelvin come in Celsius, che lo zero assoluto è esattamente 0 K e -273,15 ° C, e che l'acqua pura congela molto vicino a 273,15 K e bolle vicino a 373,15 K alla pressione atmosferica standard .

Il kelvin è l'unità di temperatura primaria per l' ingegneria e le scienze fisiche , mentre nella maggior parte dei paesi Celsius rimane la scala dominante al di fuori di questi campi e negli Stati Uniti la scala Fahrenheit (anche ora definita usando il kelvin) è ancora diffusa .

A differenza del grado Fahrenheit e del grado Celsius, il kelvin risale alla metà del 19° secolo piuttosto che all'inizio della metà del 18° e non è mai indicato né scritto come un grado , né tipicamente in maiuscolo tranne quando abbreviato in K, ad esempio "Ci sono 50 gradi Fahrenheit fuori " vs "Ci sono 10 gradi Celsius fuori" vs "Ci sono 283 kelvin fuori".

Storia

Precursori

Un bagno di acqua ghiacciata ha offerto un pratico punto di calibrazione per i termometri in un tempo prima che la natura fisica del calore fosse ben compresa.

Durante il 18° secolo furono sviluppate più scale di temperatura , in particolare Fahrenheit e centigradi (poi Celsius ). Queste scale sono antecedenti a gran parte della moderna scienza della termodinamica , compreso il consenso scientifico a favore della teoria atomica e della teoria cinetica dei gas che sono alla base del concetto di zero assoluto. Invece, hanno scelto punti definiti all'interno della gamma dell'esperienza umana dell'epoca che potevano essere facilmente e ragionevolmente riprodotti accuratamente, ma non avevano necessariamente un significato profondo nella fisica termica. Nel caso della scala Celsius (e delle ormai defunte scala Newton e scala Réaumur ) il punto di fusione dell'acqua fungeva da punto di partenza semi-arbitrario, con la definizione di Celsius, dal 1740 fino al 1940 , calibrando un termometro tale che:

Questo si riferisce all'acqua pura a una pressione impostata progettata per approssimare la pressione naturale dell'aria al livello del mare . Un'implicazione di ciò era che un incremento di 1 °C era uguale a un incremento di1/100della differenza di temperatura tra il punto di fusione e quello di ebollizione. Questo intervallo di temperatura diventerebbe il modello per il kelvin.

Lord Kelvin

Lord Kelvin , l'omonimo dell'unità di misura

Nel 1848, William Thomson, che in seguito fu nobilitato come Lord Kelvin , pubblicò un articolo On an Absolute Thermometric Scale . Usando la teoria calorica che sarà presto defunta , ha proposto una scala "assoluta" basata sui seguenti parametri:

  • Il punto di fusione dell'acqua è 0 gradi.
  • Il punto di ebollizione dell'acqua è di 100 gradi.

"I punti arbitrari che coincidono sulle due scale sono 0° e 100°"

  • Due qualsiasi motori termici la cui fonte di calore e dissipatore di calore sono entrambi separati dallo stesso numero di gradi, secondo il teorema di Carnot , saranno in grado di produrre la stessa quantità di lavoro meccanico per unità di "calorico" che passa.

"La proprietà caratteristica della scala che ora propongo è che tutti i gradi hanno lo stesso valore, cioè che un'unità di calore discendente da un corpo A alla temperatura T ° di questa scala, ad un corpo B alla temperatura ( T − 1)°, darebbe lo stesso effetto meccanico, qualunque sia il numero T . Questa può essere giustamente chiamata scala assoluta, poiché la sua caratteristica è del tutto indipendente dalle proprietà fisiche di qualsiasi sostanza specifica."

Poiché il teorema di Carnot è inteso nella termodinamica moderna per descrivere semplicemente l' efficienza massima con cui l'energia termica può essere convertita in energia meccanica e l'efficienza massima prevista è una funzione del rapporto tra le temperature assolute della fonte di calore e del dissipatore di calore:

  • Efficienza ≤ 1 −temperatura assoluta del dissipatore di calore/temperatura assoluta della fonte di calore

Ne consegue che incrementi di uguale numero di gradi su questa scala devono sempre rappresentare aumenti proporzionali eguali della temperatura assoluta. Il valore numerico di una temperatura assoluta, T , sulla scala 1848 è correlato alla temperatura assoluta del punto di fusione dell'acqua, T mpw , e alla temperatura assoluta del punto di ebollizione dell'acqua, T bpw , da:

  • T (scala 1848) = 100 ( lnT/mpw _) / ( lnT bpw/mpw _)

Su questa scala, un aumento di 222 gradi significa sempre un raddoppio approssimativo della temperatura assoluta indipendentemente dalla temperatura di partenza.

In una nota Thomson calcolò che il "freddo infinito" ( zero assoluto , che avrebbe un valore numerico di infinito negativo su questa scala) era equivalente a -273 ° C usando i termometri ad aria dell'epoca. Questo valore di "-273" era il reciproco negativo di 0,00366, il coefficiente accettato di espansione termica di un gas ideale per grado Celsius rispetto al punto di ghiaccio, dando una notevole consistenza al valore attualmente accettato.

Entro un decennio, Thomson aveva abbandonato la teoria calorica e aveva sostituito la scala del 1848 con una nuova basata sulle 2 caratteristiche che avrebbero caratterizzato tutte le future versioni della scala Kelvin:

  • Lo zero assoluto è il punto nullo.
  • Gli incrementi hanno la stessa magnitudine della scala Celsius.

Nel 1892 Thomson ricevette il titolo nobiliare di 1° Barone Kelvin di Largs , o più sinteticamente Lord Kelvin. Questo nome era un riferimento al fiume Kelvin che scorre attraverso i terreni dell'Università di Glasgow.

Nei primi decenni del 20° secolo, la scala Kelvin era spesso chiamata scala " Celsius assoluta ", indicando i gradi Celsius contati dallo zero assoluto anziché dal punto di congelamento dell'acqua, e utilizzando lo stesso simbolo per i gradi Celsius regolari, °C.

Standard a triplo punto

Un tipico diagramma di fase . La linea verde continua si applica alla maggior parte delle sostanze; la linea verde tratteggiata dà il comportamento anomalo dell'acqua. La linea di ebollizione (azzurra) va dal punto triplo al punto critico , oltre il quale ulteriori aumenti di temperatura e pressione producono un fluido supercritico .

Nel 1873 il fratello maggiore di William Thomson, James , coniò il termine punto triplo per descrivere la combinazione di temperatura e pressione alla quale le fasi solida, liquida e gassosa di una sostanza erano in grado di coesistere in equilibrio termodinamico . Mentre due fasi qualsiasi possono coesistere lungo un intervallo di combinazioni temperatura-pressione (ad es. il punto di ebollizione dell'acqua può essere influenzato in modo abbastanza drammatico dall'aumento o dall'abbassamento della pressione), la condizione del punto triplo per una data sostanza può verificarsi solo a 1 pressione e solo a 1 temperatura. Negli anni '40, il punto triplo dell'acqua era stato misurato sperimentalmente per essere circa lo 0,6% della pressione atmosferica standard e molto vicino a 0,01 ° C secondo la definizione storica di Celsius allora in uso.

Nel 1948 la scala Celsius fu ricalibrata assegnando alla temperatura del punto triplo dell'acqua il valore esatto di 0,01 °C e consentendo al punto di fusione a pressione atmosferica standard di avere un valore determinato empiricamente (e il punto di fusione effettivo a pressione ambiente ad avere un valore valore variabile ) vicino a 0 °C. Ciò era giustificato dal fatto che si riteneva che il punto triplo fornisse una temperatura di riferimento più accuratamente riproducibile rispetto al punto di fusione.

Nel 1954, con lo zero assoluto determinato sperimentalmente intorno a -273,15 ° C secondo la definizione di ° C allora in uso, la risoluzione 3 della 10a conferenza generale sui pesi e misure (CGPM) ha introdotto una nuova scala Kelvin standardizzata a livello internazionale che ha definito esattamente il punto triplo: 273,15 + 0,01 = 273,16 "gradi Kelvin"

Nel 1967/1968, la risoluzione 3 del 13° CGPM ribattezzò l'incremento unitario della temperatura termodinamica "kelvin", simbolo K, sostituendo "gradi Kelvin", simbolo °K. Il 13° CGPM ha anche affermato nella risoluzione 4 che "Il kelvin, unità di temperatura termodinamica, è uguale alla frazione1/273.16della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua."

Dopo la ridefinizione del metro del 1983 , questo ha lasciato il kelvin, il secondo e il chilogrammo come le uniche unità SI non definite con riferimento a nessun'altra unità.

Nel 2005, osservando che il punto triplo poteva essere influenzato dal rapporto isotopico dell'idrogeno e dell'ossigeno che compongono un campione d'acqua e che questa era "ora una delle principali fonti della variabilità osservata tra le diverse realizzazioni del punto triplo dell'acqua", l' International Committee for Weights and Measures (CIPM), un comitato del CGPM, ha affermato che ai fini della definizione della temperatura del punto triplo dell'acqua, la definizione di kelvin si riferirebbe all'acqua avente la composizione isotopica specificata per lo standard di Vienna Acqua oceanica media .

Ridefinizione 2019

Il kelvin è ora fissato in termini di costante di Boltzmann e joule , a sua volta definito dalla frequenza di transizione iperfine del cesio-133 e dalla costante di Planck . Sia k che k B sono un'abbreviazione accettata per la costante di Boltzmann.

Nel 2005 il CIPM ha avviato un programma per ridefinire il kelvin (insieme alle altre unità SI) utilizzando un metodo sperimentale più rigoroso. In particolare, il comitato ha proposto di ridefinire il kelvin in modo tale che la costante di Boltzmann assuma il valore esatto1.380 6505 × 10 -23  J/K . Il comitato aveva sperato che il programma sarebbe stato completato in tempo per la sua adozione da parte del CGPM nella riunione del 2011, ma nella riunione del 2011 la decisione è stata rinviata alla riunione del 2014 quando sarebbe stata considerata parte di un programma più ampio .

La ridefinizione è stata ulteriormente posticipata nel 2014, in attesa di misurazioni più accurate della costante di Boltzmann nei termini della definizione attuale, ma è stata finalmente adottata al 26° CGPM alla fine del 2018, con un valore di k  = 1.380 649 × 10 −23  J⋅K −1 .

A fini scientifici, il vantaggio principale è che ciò consente di effettuare misurazioni a temperature molto basse e molto elevate in modo più accurato, poiché le tecniche utilizzate dipendono dalla costante di Boltzmann. Ha anche il vantaggio filosofico di essere indipendente da qualsiasi sostanza particolare. L'unità J/K è pari a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , dove il chilogrammo , il metro e il secondo sono definiti in termini di costante di Planck , velocità della luce e durata del cesio-133 transizione iperfine dello stato fondamentale rispettivamente. Pertanto, questa definizione dipende solo da costanti universali e non da alcun artefatto fisico praticato in precedenza. La sfida era evitare di degradare l'accuratezza delle misurazioni vicino al punto triplo. Ai fini pratici, la ridefinizione è passata inosservata; l'acqua si congela ancora a 273,15 K (0 ° C) e il punto triplo dell'acqua continua a essere una temperatura di riferimento di laboratorio comunemente utilizzata.

La differenza è che, prima della ridefinizione, il punto triplo dell'acqua era esatto e la costante di Boltzmann aveva un valore misurato di1.380 649 03 (51) × 10 −23  J/K , con un'incertezza tipo relativa di3,7 × 10 -7 . Successivamente, la costante di Boltzmann è esatta e l'incertezza viene trasferita al punto triplo dell'acqua, che è ora273.1600(1) K .

La nuova definizione è entrata ufficialmente in vigore il 20 maggio 2019, 144° anniversario della Convenzione Meter .

Usi pratici

Formule di conversione della temperatura Kelvin
da Kelvin a Kelvin
Centigrado [°C] = [K] - 273,15 [K] = [°C] + 273,15
Fahrenheit [°F] = [K] ×  95  - 459,67 [K] = ([°F] + 459,67) ×  59
Rankine [°R] = [K] ×  95 [K] = [°R] ×  59
Per intervalli di temperatura anziché per temperature specifiche,
1 K = 1 °C = 95  °F = 95  °R
Confronti tra diverse scale di temperatura

Temperatura colore

Il kelvin è spesso usato come misura della temperatura del colore delle sorgenti luminose. La temperatura di colore si basa sul principio che un radiatore a corpo nero emette luce con una distribuzione di frequenza caratteristica della sua temperatura. Corpi neri a temperature inferiori a circa4000 K appaiono rossastre, mentre quelle sopra circa7500 K appaiono bluastri. La temperatura del colore è importante nei campi della proiezione di immagini e della fotografia , dove una temperatura del colore di circa5600 K sono necessari per abbinare emulsioni di film "luce diurna". In astronomia , la classificazione stellare delle stelle e la loro posizione nel diagramma Hertzsprung-Russell si basano, in parte, sulla loro temperatura superficiale, nota come temperatura effettiva . La fotosfera del Sole , ad esempio, ha una temperatura effettiva di5778 K.

Le fotocamere digitali e i software fotografici utilizzano spesso la temperatura del colore in K nei menu di modifica e di configurazione. La semplice guida è che una temperatura del colore più elevata produce un'immagine con sfumature di bianco e blu migliorate. La riduzione della temperatura del colore produce un'immagine maggiormente dominata da colori rossastri e "caldi" .

Kelvin come unità di temperatura del rumore

Per l'elettronica, il kelvin viene utilizzato come indicatore di quanto sia rumoroso un circuito in relazione a un rumore di fondo definitivo , ovvero la temperatura del rumore . Il cosiddetto rumore Johnson-Nyquist di resistori e condensatori discreti è un tipo di rumore termico derivato dalla costante di Boltzmann e può essere utilizzato per determinare la temperatura del rumore di un circuito utilizzando le formule di Friis per il rumore .

Carattere Unicode

Il simbolo è codificato in Unicode al punto di codice U+212A K HELVIN SIGN . Tuttavia, questo è un carattere di compatibilità fornito per la compatibilità con le codifiche legacy. Lo standard Unicode consiglia invece di utilizzare U+004B K LATINA MAIUSCOLA K ; cioè una normale K maiuscola . "A tre simboli simili a lettere è stata assegnata l'equivalenza canonica alle lettere regolari: U+2126 Ω OHM SIGN , U+212A K KELVIN SIGN e U+212B Å ANGSTROM SIGN . In tutti e tre i casi, dovrebbe essere usata la lettera normale."

Guarda anche

Riferimenti

link esterno