Kelvin: Einführung
Eine Dreipunktzelle.
Die Temperatur ist eine der wichtigsten und allgegenwärtigsten Messungen im menschlichen Leben. Seit Jahrhunderten haben wir die Systeme, Technologien, Methoden und Einheiten, mit denen wir sie quantifizieren und ausdrücken, kontinuierlich verbessert. Jetzt hat die nächste Phase dieses Prozesses stattgefunden. Das Kelvin (K) — die SI — Temperatureinheit-hat jetzt eine radikal neue Definition.,
Im Alltag tritt die Kelvin — Temperaturskala — benannt nach dem berühmten britischen Physiker Lord Kelvin (1824-1907) – selten auf. Die Menschen kennen die Fahrenheit-und Celsius-Skalen besser, die für die meisten praktischen Temperaturmessungen wie Wettervorhersagen, Lebensmittelzubereitung, Herstellung usw. verwendet werden. Historisch gesehen zentrieren sich beide Skalen um definierte Punkte wie den Schmelzpunkt von Eis, die Temperatur des menschlichen Körpers oder den Siedepunkt von Wasser.
Die Kelvin-Einheit wird nicht in Grad wie Celsius oder Fahrenheit ausgedrückt., Es wird von selbst verwendet, um Temperatur zu beschreiben. Zum Beispiel verliert „Quecksilber bei einer Temperatur von 4,2 Kelvin den gesamten elektrischen Widerstand.“
Eine Änderung von einem Kelvin ist die gleiche Temperaturänderung wie ein Grad Celsius, aber die Kelvin-Skala ist „absolut“ in dem Sinne, dass sie bei absolutem Nullpunkt beginnt oder was Kelvin und andere Wissenschaftler „unendliche Kälte“ nannten.“(0 K = -273,15 Grad C = -459,67 Grad F. Raumtemperatur ist etwa 70 Grad F, 21 Grad C oder 294 K.,)
Das Konzept einer absoluten Temperaturskala ist mächtig; es unterscheidet sich von der relativen Temperatur, bei der von Objekten gesprochen wird, dass sie heißer oder kälter sind als etwas anderes. Die absolute, thermodynamische Temperatur eines Objekts liefert Informationen darüber, wie viel durchschnittliche Bewegungsenergie (kinetische Energie) seine Atome und Moleküle haben.
Ein wichtiger Aspekt: Nach der klassischen Physik des 19., Jahrhundert eingeführte Quantentheorie hat Materie jedoch eine zufällige Bewegung bei absolutem Nullpunkt, die als „Nullpunktbewegung“ bezeichnet wird, dank eines Quantenkonzepts, das als Heisenberg-Unsicherheitsprinzip bekannt ist und vorschreibt, dass die Position und der Impuls eines Objekts nicht gleichzeitig mit vollständiger Sicherheit bekannt sein können. Die Nullpunktbewegung wird nicht als wärmegetriebene (thermische) Bewegung betrachtet und ist daher nicht Teil der Definition der thermodynamischen oder absoluten Temperatur. Bei absolutem Nullpunkt ist die einzige Bewegung, die existiert, die quantenmechanische Nullpunktbewegung.,
Die Kelvin-Skala ist in der Wissenschaft weit verbreitet, insbesondere in den physikalischen Wissenschaften. Im Alltag wird es am häufigsten als „Farbtemperatur“ einer Lampe angetroffen. Eine altmodische Glühlampe, die gelbliches Licht ausstrahlt, hat eine Farbtemperatur von etwa 3.000 K. Anders ausgedrückt, bedeutet dies, dass ihr gelbliches Spektrum genau dem ähnelt, was ein heißes Objekt bei einer Temperatur von 3.000 K natürlich ausstrahlen würde., Eine Lampe mit einer Farbtemperatur von 5.000 K bis 5.600 K, die mehr blaues Licht enthält, wird typischerweise als „Tageslicht“ oder „Vollspektrum“ bezeichnet, da die Temperatur der Sonnenoberfläche etwa 5.800 K beträgt.
1954 wurde der Kelvin als gleich dem Anteil 1⁄273.16 der thermodynamischen Temperatur des dreifachen Wasserpunkts definiert—dem Punkt, an dem Wasser, Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht koexistieren., Dies ist eine wertvolle gemeinsame Referenz, da für eine präzise Formulierung von Wasser bei einem bestimmten Druck der Dreipunkt immer bei genau der gleichen Temperatur auftritt: 273.16 K.
Die Extrapolation von der Dreipunkttemperatur des Wassers auf sehr hohe oder sehr niedrige Temperaturen ist problematisch; Daher werden im internationalen Abkommen 21 weitere definierende Punkte spezifiziert, die vom Gefrierpunkt von Helium bis zum Gefrierpunkt von Kupfer reichen.,
Das Kelvin wurde jedoch in Bezug auf die Boltzmann-Konstante neu definiert, die die Menge an thermodynamischer Energie in einer Substanz mit ihrer Temperatur in Beziehung setzt. Als die überarbeitete SI im November 2018 genehmigt wurde, wurde die neue Definition:
Das Kelvin, Symbol K, ist die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur; Seine Größe wird eingestellt, indem der numerische Wert der Boltzmann-Konstante auf genau 1,380649 × 10-23 festgelegt wird…J K-1.
Wenn das wie ein Schluck aussieht, würdest du dich nicht irren!, Um den Kontext und die Bedeutung dieser historischen Neudefinition am besten zu verstehen, ist es hilfreich, mehr über die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Temperaturmessung zu erfahren.