Kelvin

De Kelvin is de basiseenheid van temperatuur in het Internationale Systeem van Eenheden (SI), met het eenheidssymbool K. Het is genoemd naar de in Belfast geboren Glasgow University ingenieur en natuurkundige William Thomson, 1st Baron Kelvin (1824–1907).

De kelvin wordt nu gedefinieerd door de numerieke waarde van de constante van Boltzmann k vast te stellen op 1,380 649 × 10 ⁻²³ J⋅K ⁻¹ . Daarom is één kelvin gelijk aan een verandering in de thermodynamische temperatuur T die resulteert in een verandering van thermische energie kT met 1.380 649 × 10 ⁻²³ J. ^[1]

De Kelvin schaal voldoet aan de eisen Thomson's als een absolute thermodynamische temperatuur schaal . Het gebruikt het absolute nulpunt als nulpunt (dwz lage entropie ). De relatie tussen Kelvin- en Celsius-schalen is T _K = t _{° C} + 273,15. Op de schaal van Kelvin bevriest zuiver water bij 273,15 K en kookt het bij 373,15 K.

In tegenstelling tot de graden Fahrenheit en graden Celsius , wordt de Kelvin niet een graad genoemd of geschreven . De kelvin is de belangrijkste eenheid voor temperatuurmeting in de natuurwetenschappen, maar wordt vaak gebruikt in combinatie met de graad Celsius, die dezelfde grootte heeft.

Geschiedenis [ bewerken ]

In 1848 schreef William Thomson, die later als Lord Kelvin werd veredeld , in zijn paper On an Absolute Thermometric Scale de behoefte aan een schaal waarbij 'oneindige koude' (het absolute nulpunt) het nulpunt van de schaal was, en die de graad Celsius gebruikte. voor zijn eenheidstoename. Kelvin berekende dat het absolute nulpunt gelijk was aan -273 ° C op de luchtthermometers van die tijd. ^[2] Deze absolute schaal staat tegenwoordig bekend als de thermodynamische temperatuurschaal van Kelvin. Kelvin's waarde van "−273" was het negatieve omgekeerde van 0,00366 - de geaccepteerde uitzettingscoëfficiënt van gas per graad Celsius ten opzichte van het ijstpunt, wat een opmerkelijke consistentie geeft aan de momenteel geaccepteerde waarde.

In 1954 gaf Resolutie 3 van de 10e Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen (CGPM) de Kelvin-schaal zijn moderne definitie door het tripelpunt van water aan te duiden als het tweede bepalende punt en de temperatuur ervan toe te kennen aan precies 273,16 kelvin. ^[3]

In 1967/1968 hernoemde resolutie 3 van de 13e CGPM de eenheidstoename van de thermodynamische temperatuur "kelvin", symbool K, ter vervanging van "graad Kelvin", symbool ° K. ^[4] Verder, omdat ik het nuttig vond om de grootte van de eenheidstoename explicieter te definiëren, stelde de 13e CGPM ook in Resolutie 4 dat "De kelvin, eenheid van thermodynamische temperatuur, gelijk is aan de fractie1​273,16van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water . " ^[5]

In 2005 bevestigde het Comité International des Poids et Mesures (CIPM), een commissie van de CGPM, dat voor het afbakenen van de temperatuur van het tripelpunt van water, de definitie van de thermodynamische temperatuurschaal van Kelvin verwijst naar water met een isotopensamenstelling gespecificeerd als Vienna Standard Mean Ocean Water . ^[6]

Op 16 november 2018 is een nieuwe definitie aangenomen, in termen van een vaste waarde van de Boltzmann-constante . Met deze verandering werd het tripelpunt van water een empirisch bepaalde waarde van ongeveer 273,16 kelvin. Voor wettelijke metrologische doeleinden is de nieuwe definitie officieel in werking getreden op 20 mei 2019, de 144e verjaardag van de Meterconventie . ^[7]

Gebruiksconventies [ bewerken ]

Volgens het International Bureau of Weights and Measures wordt de eenheid, gespeld of uitgesproken, in het meervoud gebruikt volgens dezelfde grammaticale regels als voor andere SI-eenheden , zoals de volt of ohm (bijv. "... het tripelpunt van water is precies 273,16 Kelvin " ^[8] ). Als er wordt verwezen naar de "Kelvin- schaal ", functioneert het woord "kelvin" - dat normaal gesproken een zelfstandig naamwoord is - bijvoeglijk om het zelfstandig naamwoord "schaal" te wijzigen en wordt het met een hoofdletter geschreven. Zoals bij de meeste andere SI-eenheidssymbolen (hoeksymbolen, bijv. 45 ° 3 ′ 4 ″ zijn de uitzondering), is er een spatie tussen de numerieke waarde en het Kelvin-symbool (bijv. "99,987 K").^{[9] [10]} (De stijlgids voorCERN zegt echter specifiek om altijd "kelvin" te gebruiken, zelfs als het meervoud is.) ^[11]

Vóór de 13e CGPM in 1967–1968 heette de eenheid Kelvin een "graad", net zoals bij de andere temperatuurschalen in die tijd. Het onderscheidde zich van de andere schalen met ofwel het adjectief-achtervoegsel "Kelvin" ("graad Kelvin") of met "absoluut" ("graad absoluut") en het symbool was ° K. De laatste term (graad absoluut), die de officiële naam van de eenheid was van 1948 tot 1954, was dubbelzinnig omdat hij ook kon worden geïnterpreteerd als een verwijzing naar de Rankine-schaal . Vóór de 13e CGPM was het meervoud "graden absoluut". De 13e CGPM veranderde de naam van de eenheid in simpelweg "kelvin" (symbool: K). ^[12]Het weglaten van "graad" geeft aan dat het niet relatief is ten opzichte van een willekeurig referentiepunt zoals de Celsius- en Fahrenheit-schalen (hoewel de Rankine-schaal "degree Rankine" bleef gebruiken), maar eerder een absolute maateenheid die algebraïsch kan worden gemanipuleerd ( bv. vermenigvuldigd met twee om tweemaal de hoeveelheid "gemiddelde energie" aan te duiden die beschikbaar is onder de elementaire vrijheidsgraden van het systeem). ​

2019 herdefinitie [ bewerken ]

In 2005 startte de CIPM met een programma om de kelvin (samen met de andere SI-eenheden) opnieuw te definiëren met behulp van een meer experimenteel rigoureuze methodologie. In het bijzonder stelde de commissie voor om de kelvin te herdefiniëren zodat de constante van Boltzmann de exacte waarde krijgt1.380 6.505 x 10 ^-23  J / K . ^[13] De commissie had gehoopt dat het programma op tijd zou worden afgerond voor goedkeuring door de CGPM tijdens haar vergadering in 2011, maar tijdens de vergadering van 2011 werd het besluit uitgesteld tot de vergadering van 2014, omdat het zou worden beschouwd als onderdeel van een groter programma. . ^[14]

De herdefiniëring werd in 2014 verder uitgesteld, in afwachting van nauwkeurigere metingen van de constante van Boltzmann in termen van de huidige definitie ^[15], maar werd uiteindelijk aangenomen op de 26e CGPM eind 2018, met een waarde van k  = 1.380 649 x 10 ^-23  J / K . ^{[13] [16]}

Wetenschappelijk gezien is het belangrijkste voordeel dat hierdoor metingen bij zeer lage en zeer hoge temperaturen nauwkeuriger kunnen worden uitgevoerd, aangezien de gebruikte technieken afhankelijk zijn van de Boltzmann-constante. Het heeft ook het filosofische voordeel dat het onafhankelijk is van een bepaalde substantie. De eenheid J / K is gelijk aan kg⋅m ² ⋅s ⁻² ⋅K ⁻¹ , waarbij de kilogram , meter en seconde worden gedefinieerd in termen van de constante van Planck , de lichtsnelheid en de duur van het cesium-133 grondtoestand hyperfijne overgang respectievelijk. ^[17]Deze definitie hangt dus alleen af ​​van universele constanten , en niet van fysieke artefacten zoals eerder beoefend, zoals het internationale prototype van het kilogram , waarvan de massa in de loop van de tijd afweek van de oorspronkelijke waarde. De uitdaging was om de nauwkeurigheid van metingen dichtbij het tripelpunt te vermijden. Praktisch gezien zal de herdefinitie onopgemerkt blijven; water zal nog steeds bevriezen bij 273,15 K (0 ° C), ^[18] en het tripelpunt van water zal een veelgebruikte laboratoriumreferentietemperatuur blijven.

Het verschil is dat, vóór de herdefinitie, het tripelpunt van water exact was en de Boltzmann-constante een gemeten waarde had van 1.380 649 03 (51) × 10 ⁻²³  J / K , met een relatieve standaardonzekerheid van3,7 x 10 ⁻⁷ . ^[16] Daarna is de constante van Boltzmann exact en wordt de onzekerheid overgedragen naar het tripelpunt van water, dat nu273.1600 (1) K .

Praktische toepassingen [ bewerken ]

Kleurtemperatuur [ bewerken ]

De kelvin wordt vaak gebruikt als maat voor de kleurtemperatuur van lichtbronnen. De kleurtemperatuur is gebaseerd op het principe dat een blackbody- straler licht uitzendt met een frequentieverdeling die kenmerkend is voor zijn temperatuur. Zwarte lichamen bij temperaturen lager dan ongeveer4000 K lijken roodachtig, terwijl die hierboven ongeveer7500 K lijkt blauwachtig. Kleurtemperatuur is belangrijk op het gebied van beeldprojectie en fotografie , waar een kleurtemperatuur van circa5600 K is vereist om te passen bij "daglicht" filmemulsies. In de astronomie zijn de sterrenclassificatie van sterren en hun plaats op het Hertzsprung-Russell-diagram gedeeltelijk gebaseerd op hun oppervlaktetemperatuur, ook wel effectieve temperatuur genoemd . De fotosfeer van de zon heeft bijvoorbeeld een effectieve temperatuur van5778 K .

Digitale camera's en fotografische software gebruiken vaak kleurtemperatuur in K in bewerkings- en instellingsmenu's. De eenvoudige richtlijn is dat een hogere kleurtemperatuur een afbeelding oplevert met verbeterde witte en blauwe tinten. De verlaging van de kleurtemperatuur levert een beeld op dat meer wordt gedomineerd door roodachtige, "warmere" kleuren .

Kelvin als eenheid van geluidstemperatuur [ bewerken ]

In de elektronica wordt de kelvin gebruikt als een indicator van hoe luidruchtig een schakeling is in relatie tot een uiteindelijke ruisvloer , dat wil zeggen de ruistemperatuur . De zogenaamde Johnson-Nyquist-ruis van discrete weerstanden en condensatoren is een type thermische ruis afgeleid van de Boltzmann-constante en kan worden gebruikt om de ruistemperatuur van een circuit te bepalen met behulp van de Friis-formules voor ruis .

Unicode-teken [ bewerken ]

Het symbool is gecodeerd in Unicode op codepunt U + 212A K KELVIN SIGN . Dit is echter een compatibiliteitsteken bedoeld voor compatibiliteit met oudere coderingen. De Unicode-standaard raadt aan om in plaats daarvan U + 004B K LATIJNSE HOOFDLETTERS K te gebruiken; dat wil zeggen een normaal hoofdstad K . "Drie letterachtige symbolen hebben canonieke gelijkwaardigheid gekregen met gewone letters: U + 2126 Ω OHM SIGN , U + 212A K KELVIN SIGN en U + 212B Å ANGSTROM SIGN . In alle drie gevallen moet de gewone letter worden gebruikt." ^[19]

Zie ook [ bewerken ]

• Vergelijking van temperatuurschalen
• Internationale temperatuurschaal van 1990
• Negatieve temperatuur

Referenties [ bewerken ]

Externe links [ bewerken ]

Zoek Kelvin op in Wiktionary, het gratis woordenboek.

• Bureau International des Poids et Mesures (2006). "The International System of Units (SI) brochure" (pdf) . 8e editie. Internationaal Comité voor maten en gewichten . Ontvangen 6 februari 2008 . Cite journal vereist |journal=( hulp )