Kelvin

Kelvin [K] je jednotkou termodynamické teploty a také vhodnou[1] jednotkou teplotního rozdílu, stejně velkou, jako je stupeň Celsia – na rozdíl od něj se užívá i v jednotkách odvozených, jako W/(m·K)[2]. Může mít též předponu, jako mili v jednotce mK.

Rozdíl teplot měřený ve stupních Celsia a v kelvinech je stejný, 1 K ≅ 1 °C. Celsiova stupnice však má jiný počátek: 0 °C odpovídá 273,15 K. Měření teplot od absolutní nuly navrhl skotský matematik a fyzik William Thomson, který byl za své výrazné vědecké úspěchy povýšen do šlechtického stavu pod jménem lord Kelvin.

Kelvin je jednou ze sedmi základních jednotek soustavy SI.

Zavedení pojmu kelvin

Kelvin je jednou ze sedmi základních jednotek soustavy SI. Dlouhou dobu byl definován dvěma hodnotami:

0 K je teplota absolutní nuly, tedy naprosto nejnižší teplota, která je fyzikálně definována[pozn 1],
273,16 K je teplota trojného bodu vody (teplota 0,01 °C, tlak 613 Pa)

V rámci změny definic základních fyzikálních jednotek[3] byla přijata 20. května 2019 i nová definice kelvinu (fixací Boltzmannovy konstanty $k_{\mathrm {B} }$ a převodem teploty na energii: $k_{\mathrm {B} }T=E$ ).

Rozdíl teplot jeden stupeň v Celsiově stupnici a jeden kelvin je stejný, 1 K ≅ 1 °C. Celsiova stupnice však má jiný počátek: 0 °C odpovídá 273,15 K.

Měření teplot od absolutní nuly navrhl skotský matematik a fyzik William Thomson, který byl za své výrazné vědecké úspěchy povýšen do šlechtického stavu pod jménem lord Kelvin.

Přepočet na jiné stupnice

Teploměr s Kelviny a stupni Celsia

Celsiova stupnice

V Celsiově stupnici je jednotkou Celsiův stupeň[4], který představuje stejný rozdíl teplot jako kelvin: 1 °C = 1 K. Celsiova stupnice má ale posunutý počátek: 0 °C odpovídá 273,15 K, takže

K/\mathrm {K} =C/^{\circ }\mathrm {C} +273{,}15\,

,

C/\mathrm {^{\circ }C} =K/\mathrm {K} -273{,}15\,

,

kde C je teplota ve stupních Celsia, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −273,15 °C

0 °C = +273,15 K

100 °C = +373,15 K

Rankinova stupnice

Rankinova stupnice[5] je Fahrenheitova stupnice posunutá tak, aby vycházela z absolutní nuly. Stupeň Rankina je stejně velký jako stupeň Fahrenheita, takže 1 °R = 1 °F a platí

R/^{\circ }\mathrm {R} ={\frac {9}{5}}K/\mathrm {K} \,

,

kde R je teplota ve stupních Rankina, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = 0 °R

273,15 K = 491,67 °R ( = 0 °C)

373,15 K = 671,67 °R ( = 100 °C)

Fahrenheitova stupnice

Stupeň Fahrenheita[6] je stejně velký jako stupeň Rankina, 1 °F = 1 °R, ale Fahrenheitova stupnice má posunutý začátek: 32 °F odpovídá 273,15 K, takže

[^{\circ }\mathrm {F} ]=[\mathrm {K} ]\times {\frac {9}{5}}-459,67

kde °F je teplota ve stupních Fahrenheita, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −459,67 °F

255,37 K = 0 °F

273,15 K = 32 °F ( = 0 °C)

373,15 K = 212 °F ( = 100 °C)

Réaumurova stupnice

Réaumurova stupnice má stejný počátek jako Celsiova, ale jiný rozdíl teplot: 100 °C = 80 °Re, takže

Re/^{\circ }\mathrm {Re} =0{,}8\ K/\mathrm {K} -218{,}52\,

,

kde Re je teplota ve stupních Réaumura, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −218,52 °Re

273,15 K = 0 °Re ( = 0 °C)

373,15 K = 80 °Re ( = 100 °C)

Teplota a energie

Molekulová a statistická fyzika dokazují, že střední kinetická energie E_k částic tvořících soustavu má v klasické aproximaci (ekvipartiční teorém) vlastnost teploty, tj. aby dvě soustavy 1, 2 byly navzájem v rovnováze, musejí mít částice, které je tvoří, stejné střední kinetické energie: E_k1 = E_k2. To umožňuje měřit teplotu pomocí energie:

E=kT

,

kde konstantou k úměrnosti je Boltzmannova konstanta[7]. V soustavě SI (v jednotkách J pro energii a K pro teplotu) má nyní hodnotu přesně (definitoricky)

k=1{,}380\,649\times 10^{-23}\mathrm {J/K}

V jaderné fyzice se energie často měří elektronvolty, eV; k přepočtu se použije táž rovnice E = k T, jen Boltzmannova konstanta bude vyjádřena v eV/K. Platí tyto ekvivalence (zaokrouhleno):

1\;\mathrm {K} \ {\hat {=}}\ 8{,}617\cdot 10^{-5}\;\mathrm {eV}

1\;\mathrm {eV} \ {\hat {=}}\ 1{,}160\cdot 10^{4}\;\mathrm {K}

1\;\mathrm {K} \ {\hat {=}}\ 1{,}381\cdot 10^{-23}\;\mathrm {J}

1\;\mathrm {J} \ {\hat {=}}\ 7{,}243\cdot 10^{22}\;\mathrm {K}

Barevná teplota světla

V kelvinech se rovněž udává barevná teplota světla (přesněji: teplota záře[8]), zejména umělých světelných zdrojů – žárovek, zářivek a podobně. To je významné zejména pro snímání a záznam světla pro fotografie a film či video. Vnímaná barva světla černého tělesa rozežhaveného na danou teplotu T je určena jednak spektrální září[9] L(λ, T) podle Planckova zákona[10], jednak poměrnou spektrální světelnou účinností[11] standardního fotometrického pozorovatele[12].

Zajímavosti

Teplota 0 °C („bod mrazu“) je teplota, kdy je v rovnováze led, kapalná voda a vzduch nasycený vodní parou. Není to tedy přesně teplota trojného bodu, kdy je v rovnováze led, voda a pára (beze vzduchu). Teplota trojného bodu je 0,01 °C.

Do roku 1967 se používal termín „stupeň Kelvina“ a značka °K. Roku 1967 však tuto značku zrušila Generální konference pro míry a váhy. Termín „stupeň“ jako část názvu jednotky nadále užívá jen pro stupnice původem empirické (např. stupnice tvrdosti nebo dřívější stupnice teploty).

Réaumur zavedl svou stupnici na základě lihového teploměru maje za to, že líh se roztahuje s teplotou rovnoměrně.

Poznámky

Záporné termodynamické teploty (např. spinových systémů) nejsou nižší než absolutní nula, ale naopak vyšší než nekonečná teplota ve statistickém pojetí.

Reference

LUDWIG, Howard. Why do engineers sometimes change unit from degrees Celsius to Kelvin when expressing a temperature difference? - Quora [online]. 2017-01-23 [cit. 2018-03-09]. Dostupné online. (anglicky)
Essentials of the SI: Base & derived units [online]. [cit. 2018-03-09]. Dostupné online. (anglicky)
Jan Obdržálek: Základní fyzikální jednotky po roce 2011. Metrologie, 2010, 2, p.1-4, ISSN 1210-3543
ISO 80000-5:2007, item 5-2a
ISO 80000-5:2007, item 5-1.A.a
ISO 80000-5:2007, item 5-2.A.a
ISO 80000-9:2007, item 9-43
ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-04-13
ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-34
ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-04-05
ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-22
ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-23

Literatura

MILLS, Ian. IUPAC. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. Oxford, London, Edinburgh, Cambridge, Carlton Victoria (USA): Blackwell Scientific publications, 1993. 167 s. Dostupné online. ISBN 0-632-03583-8. Kapitola 3; 7, s. 70; 113. (angl.)
KVASNICA, Jozef. Termodynamika. Praha: SNTL/SVTL, 1965. 396 s. (čes.)
KVASNICA, Jozef. Statistická fyzika. 2. vyd. Praha: Academia, 1998. 314 s. ISBN 80-200-0676-1. (čes.)
SVOBODA, Emanuel; BAKULE, Roman. Molekulová fyzika. Praha: Academia, 1992. 276 s. ISBN 80-200-0025-9. (čes.)
OBDRŽÁLEK, Jan. Úvod do termodynamiky, statistické fyziky a molekulové fyziky. Praha: MatFyzPress, Nakladatelství MFF UK, 2015. ISBN 978-80-7378-287-0. (čes.)
OBDRŽÁLEK, Jan. Řešené příklady z termodynamiky, statistické fyziky a molekulové fyziky. Praha: MatFyzPress, Nakladatelství MFF UK, 2015. ISBN 978-80-7378-300-6. (čes.)
ISO 80000-5:2007, Quantities and units - Part 5: Thermodynamics
ISO 80000-5:2009, Quantities and units - Part 9: Physical chemistry and molecular physics
ČSN EN ISO 80000-5:2011, Veličiny a jednotky - Část 5: Termodynamika
ČSN EN ISO 80000-9:2011, Veličiny a jednotky - Část 9: Fyzikální chemie a molekulová fyzika

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu kelvin na Wikimedia Commons
Slovníkové heslo kelvin ve Wikislovníku

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[3] Záporné termodynamické teploty (např. spinových systémů) nejsou nižší než absolutní nula, ale naopak vyšší než nekonečná teplota ve statistickém pojetí.

[1] LUDWIG, Howard. Why do engineers sometimes change unit from degrees Celsius to Kelvin when expressing a temperature difference? - Quora [online]. 2017-01-23 [cit. 2018-03-09]. Dostupné online. (anglicky)

[2] Essentials of the SI: Base & derived units [online]. [cit. 2018-03-09]. Dostupné online. (anglicky)

[4] Jan Obdržálek: Základní fyzikální jednotky po roce 2011. Metrologie, 2010, 2, p.1-4, ISSN 1210-3543

[5] ISO 80000-5:2007, item 5-2a

[6] ISO 80000-5:2007, item 5-1.A.a

[7] ISO 80000-5:2007, item 5-2.A.a

[8] ISO 80000-9:2007, item 9-43

[9] ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-04-13

[10] ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-34

[11] ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-04-05

[12] ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-22

[13] ČSN IEC 50(845):1996, Mezinárodní elektrotechnický slovník IEV, kap. 845 (Osvětlení), pol. 845-01-23

Znak	K
Název v Unicodu	Kelvin sign
Kódování	dec	hex
Unicode	8490	U+212a
UTF-8	226 132 170	e2 84 aa
Číselná entita	K	K