Термодинамическая температура - Thermodynamic temperature

Термодинамическая температура - это мера абсолютной температуры и один из основных параметров термодинамики . Нулевое значение термодинамической температуры обозначает точку, в которой начинается фундаментальное физическое свойство, наполняющее материю температурой, передаваемой кинетической энергией из-за движения атома. В науке термодинамическая температура измеряется по шкале Кельвина, а единицей измерения является кельвин (символ единицы: K). Для сравнения: комфортная температура 295 К, равная 21,85 ° С и 71,33 ° F.

В нулевой точке термодинамической температуры, абсолютном нуле , частицы, составляющие материю, имеют минимальное движение и не могут стать холоднее. Абсолютный ноль, который представляет собой температуру в ноль кельвинов (0 К), в точности равен -273,15 ° C и -459,67 ° F. Материя при абсолютном нуле не имеет оставшейся передаваемой средней кинетической энергии, и единственное оставшееся движение частицы связано с постоянно распространяющимся квантово-механическим явлением, называемым энергией нулевой точки . Хотя атомы, например, в контейнере с жидким гелием, который находился точно при абсолютном нуле, все равно будут слегка толкаться из-за энергии нулевой точки, теоретически совершенный тепловой двигатель с таким гелием в качестве одной из его рабочих жидкостей никогда не сможет передать какую-либо чистую кинетическую энергию. энергия ( тепловая энергия ) к другому рабочему телу, и никакая термодинамическая работа не может произойти.

Температура обычно выражается в абсолютных единицах при научном изучении взаимосвязей температуры с некоторыми другими физическими свойствами материи, такими как ее объем или давление (см . Закон Гей-Люссака ) или длина волны испускаемого ею излучения черного тела . Абсолютная температура также полезна при расчете скорости химических реакций (см. Уравнение Аррениуса ). Кроме того, абсолютная температура обычно используется в криогенике и связанных с ней явлениях, таких как сверхпроводимость , как показано в следующем примере использования: «Удобно, чтобы температура перехода тантала ( T c ), составляющая 4,4924 Кельвина, немного выше точки кипения гелия 4,2221 К».

Шкала Кельвина также используется в повседневной жизни - часто даже не осознавая этого - из-за цветной пленочной фотографии и потребности в пленках, которые были сбалансированы для двух видов студийного освещения с вольфрамовой нитью накаливания, а также для полуденного солнца. Поскольку температура объектов, излучающих излучение черного тела, таких как солнце и вольфрамовые нити, долгое время измерялась в кельвинах, цветовая температура фотографического освещения - и даже обычных светодиодных ламп для комнатного освещения в настоящее время - измеряется в кельвинах. следующий пример использования: «Фотографы, у которых нет измерителя цветовой температуры, могут освещать свои сцены обычными светодиодными лампами с температурой 3200 кельвин (теплый белый) и устанавливать белую точку своих цифровых камер на« вольфрам » ».

Обзор

Международная система единиц (СИ) определяет шкалу Кельвина для измерения термодинамической температуры и единицу измерения кельвина (единицы измерения символа: K) для конкретных значений по шкале. Кельвин также используется для обозначения температурных интервалов (диапазона или разницы между двумя температурами) в соответствии со следующим примером использования: «Припой олово / свинец 60/40 не является эвтектическим и является пластичным в диапазоне 5 кельвинов по мере затвердевания. . » Температурный интервал в один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина.

Величина кельвина была пересмотрена в 2019 году в связи с самим физическим свойством, лежащим в основе термодинамической температуры: кинетической энергией движения атомных частиц. Новое определение зафиксировало постоянную Больцмана на точном1,380 649 × 10 -23  джоулей на кельвин (Дж / К). Составная единица измерения для постоянной Больцмана часто также задается как J · K −1 , что может показаться абстрактным из-за точки умножения ( · ) и символа Кельвина, за которым следует отрицательная единица в верхнем индексе , однако это просто еще один математический синтаксис, обозначающий ту же меру: джоули (единица измерения энергии в системе СИ , включая кинетическую энергию) на кельвин.

Свойство, которое наделяет любые вещества температурой, можно легко понять, изучив закон идеального газа , который связывает, согласно постоянной Больцмана, как тепловая энергия вызывает точно определенные изменения давления и температуры определенных газов. Это связано с тем, что одноатомные газы, такие как гелий и аргон, кинетически ведут себя как совершенно упругие и сферические бильярдные шары, которые движутся только в определенном подмножестве возможных колебательных движений, которые могут происходить в материи: состоящей из трех поступательных степеней свободы . Поступательные степени свободы - это знакомые движения, подобные бильярдному шару, по осям X, Y и Z трехмерного пространства (см. Рис. 1 ниже). Вот почему все благородные газы имеют одинаковую удельную теплоемкость на атом и почему это значение является самым низким среди всех газов.

Однако молекулы (два или более химически связанных атома) имеют внутреннюю структуру и, следовательно, имеют дополнительные внутренние степени свободы (см. Рис. 3 ниже), что заставляет молекулы поглощать больше тепловой энергии при любом заданном увеличении температуры, чем молекулы. одноатомные газы. Тепловая энергия рождается во всех доступных степенях свободы; это соответствует теореме о равнораспределении , поэтому все доступные внутренние степени свободы имеют ту же температуру, что и их три внешние степени свободы. Однако свойство, придающее всем газам их давление , которое представляет собой результирующую силу на единицу площади контейнера, возникающую при отталкивании от него частиц газа, является функцией кинетической энергии, переносимой в трех поступательных степенях свободы атомов и молекул. .

Фиксация постоянной Больцмана на конкретном значении, наряду с другими правилами, позволила точно установить величину единичного интервала термодинамической температуры, кельвина, с точки зрения среднего кинетического поведения благородных газов. Более того, исходная точка термодинамической температурной шкалы, абсолютный ноль, была подтверждена как точка, в которой в образце остается нулевая средняя кинетическая энергия ; единственное оставшееся движение частицы состоит из случайных колебаний из-за нулевой энергии.

Шкала Ренкина

Несмотря на то что было много других шкал температуры на протяжении всей истории, было только две шкалы для измерения термодинамической температуры , где абсолютные нулевая точка их нуль (0): Шкала Кельвина и шкала Ренкина .

Во всем научном мире, где современные измерения почти всегда производятся с использованием Международной системы единиц, термодинамическая температура измеряется с использованием шкалы Кельвина. Шкала Ренкина является частью английских инженерных единиц в Соединенных Штатах и ​​находит применение в определенных областях техники, особенно в устаревших справочниках. Шкала Ренкина использует в качестве единицы градус Ренкина (символ: ° R), который имеет ту же величину, что и градус Фаренгейта (символ: ° F).

Приращение единицы измерения Ренкина в один градус ровно в 1,8 раза меньше по величине, чем один кельвин; Таким образом, для преобразования температуры специфическую по шкале Кельвина к шкале Ренкина, K × 1,8 = ° Р , и для преобразования от температуры по шкале Ренкина на шкале Кельвина, ° Р / 1,8 = К . Следовательно, абсолютный ноль равен «0» для обеих шкал, но температура плавления водяного льда (0 ° C и 273,15 K) составляет 491,67 ° R.

Для преобразования температурных интервалов (диапазона или разницы между двумя температурами) используются те же формулы из предыдущего абзаца; например, диапазон 5 кельвинов в точности равен диапазону 9 градусов Ренкина.

Современное переосмысление кельвина

В течение 65 лет, между 1954 и 2019 переопределением основных единиц СИ , температурный интервал в один кельвин определялся как1/273,16разница между тройной точкой воды и абсолютным нулем. Резолюция 1954 года Международного бюро мер и весов (известная под аббревиатурой BIPM на французском языке), а также более поздние резолюции и публикации определяли тройную точку воды как точно 273,16 K и признавали, что это было «обычной практикой». из-за предыдущих соглашений (а именно, что 0 ° C долгое время определялось как точка плавления воды и что тройная точка воды долгое время экспериментально определялась как неотличимо близкая к 0,01 ° C), разница между шкалой Цельсия и Шкала Кельвина принята равной 273,15 кельвина; то есть 0 ° C равняется 273,15 кельвина. Чистый эффект от этого, а также от более поздних резолюций был двояким: 1) они определили абсолютный ноль как точно 0 K, и 2) они определили, что тройная точка специальной изотопно-контролируемой воды, называемой Венской стандартной средней океанской водой, была точно 273,16 кельвина и 0,01 ° C. Одним из последствий вышеупомянутых разрешений было то, что температура плавления воды, хотя и была очень близка к 273,15 кельвину и 0 ° C, не была определяющей величиной и подлежала уточнению с помощью более точных измерений.

Стандарт BIPM 1954 года хорошо справился с установлением - в пределах неопределенностей из-за изотопных вариаций между образцами воды - температуры около точки замерзания и тройной точки воды, но требовал, чтобы промежуточные значения между тройной точкой и абсолютным нулем, а также экстраполированные значения от комнатной температуры и выше, что подлежит экспериментальному определению с помощью аппаратуры и процедур в отдельных лабораториях. Этот недостаток был устранен с помощью Международной температурной шкалы 1990 г. , или ITS-90, которая определила 13 дополнительных точек, от 13,8033 К до 1357,77 К. Несмотря на определение, ITS-90 имел - и все еще имеет - некоторые проблемы, отчасти из-за восьми из них. его экстраполированные значения зависят от точек плавления или замерзания металлических образцов, которые должны оставаться чрезвычайно чистыми, чтобы не повлиять на их точки плавления или замерзания - обычно пониженные.

Переопределение базовых единиц СИ в 2019 году было в первую очередь с целью отделения большей части определяющих основ системы СИ от килограмма , который был последним физическим артефактом, определяющим базовую единицу СИ (платиновый / иридиевый цилиндр, хранящийся под тремя вложенными колпаками в сейф, расположенный во Франции), стабильность которого была весьма сомнительной. Решение требовало, чтобы четыре физические константы, включая постоянную Больцмана, были фиксированными по определению.

Присвоение постоянной Больцмана точно определенного значения не имело практического влияния на современную термометрию, за исключением чрезвычайно точных измерений. До переопределения тройная точка воды была точно 273,16 K и 0,01 ° C, а постоянная Больцмана была экспериментально определена как1,380 649 03 (51) × 10 -23  Дж / К , где «(51)» обозначает неопределенность в двух младших значащих цифрах (03) и равняется относительной стандартной неопределенности 0,37 ppm. Впоследствии, определив постоянную Больцмана как точно1,380 649 × 10 -23  Дж / К , погрешность 0,37 ppm была перенесена на тройную точку воды, которая стала экспериментально определенным значением 273,1600 ± 0,0001 K (0,0100 ± 0,0001 ° C). То, что тройная точка воды оказалась чрезвычайно близкой к 273,16 K после переопределения SI, не случайно; Окончательное значение постоянной Больцмана было определено, отчасти, с помощью хитроумных экспериментов с аргоном и гелием, в которых в качестве ключевой эталонной температуры использовалась тройная точка воды. 

Несмотря на новое определение в 2019 году, водные ячейки тройной точки продолжают служить в современной термометрии в качестве чрезвычайно точных калибровочных эталонов при 273,16 K и 0,01 ° C. Более того, тройная точка воды остается одной из 14 калибровочных точек, составляющих ITS ‑ 90, которая простирается от тройной точки водорода (13,8033 К) до точки замерзания меди (1357,77 К), что составляет почти стократный диапазон термодинамических значений. температура.

Взаимосвязь температуры, движения, теплопроводности и тепловой энергии

Рисунок 1 поступательное движение элементарных частиц природы , таких как атомы и молекулы имеют непосредственное отношение к температуре. Здесь размер атомов гелия относительно их расстояния показан в масштабе при давлении 1950 атмосфер . Эти атомы при комнатной температуре имеют определенную среднюю скорость (здесь они замедлены в два триллиона раз). Однако в любой данный момент конкретный атом гелия может двигаться намного быстрее, чем в среднем, в то время как другой может быть почти неподвижным. Пять атомов окрашены в красный цвет, чтобы облегчить отслеживание их движения. Эта анимация иллюстрирует статистическую механику , науку о том, как групповое поведение большого набора микроскопических объектов определяется кинетическими свойствами каждого отдельного объекта.

Природа кинетической энергии, поступательного движения и температуры

Термодинамическая температура любого объемного количества вещества (статистически значимого количества частиц) прямо пропорциональна средней кинетической энергии определенного вида движения частицы, известного как поступательное движение. Эти простые движения в трех измерениях пространства по осям X, Y и Z означают, что частицы движутся в трех пространственных степенях свободы . Эту особую форму кинетической энергии иногда называют кинетической температурой. Поступательное движение - это всего лишь одна из форм тепловой энергии, которая определяет не только температуру газов, но также их давление и большую часть их объема. Это соотношение между температурой, давлением и объемом газов устанавливаются законом идеального газа «ы формулы Pv  =  НЮТ и воплощено в газовых законах .

Хотя кинетическая энергия, переносимая исключительно тремя поступательными степенями свободы, составляет термодинамическую температуру вещества, молекулы, как видно на рис. 3 , могут иметь другие степени свободы, все из которых подпадают под три категории: длина связи, валентный угол и вращательный. Все три дополнительные категории не обязательно доступны для всех молекул, и даже для молекул, которые могут испытать все три, некоторые из них могут быть «заморожены» ниже определенной температуры. Тем не менее, все те степени свободы, которые доступны молекулам при определенных условиях, вносят вклад в удельную теплоемкость вещества; Другими словами, они увеличивают количество тепла (кинетической энергии), необходимое для подъема данного количества вещества на один кельвин или один градус Цельсия.

Связь кинетической энергии, массы и скорости определяется формулой E k  = 1/2мв 2 . Соответственно, частицы с одной единицей массы, движущиеся с одной единицей скорости, имеют точно такую ​​же кинетическую энергию и точно такую ​​же температуру, что и частицы с четырехкратной массой, но с половиной скорости.

Степень, в которой кинетическая энергия поступательного движения в статистически значимой совокупности атомов или молекул в газе способствует давлению и объему этого газа, является пропорциональной функцией термодинамической температуры, как установлено постоянной Больцмана (символ:  k B ) . Постоянная Больцмана также связывает термодинамическую температуру газа со средней кинетической энергией поступательного движения отдельных частиц следующим образом:

куда:

  • - средняя кинетическая энергия для любой отдельной частицы в джоулях (Дж)
  • k B =1,380 649 × 10 −23  Дж / К
  • T - термодинамическая температура основной массы вещества в кельвинах (K).
Рис. 2 Поступательное движение атомов гелия происходит в широком диапазоне скоростей. Сравните форму этой кривой с формой кривой Планка на рис. 5  ниже.

Хотя постоянная Больцмана полезна для определения средней кинетической энергии в образце частиц, важно отметить, что даже когда вещество изолировано и находится в термодинамическом равновесии (все части имеют одинаковую температуру, и тепло не поступает и не выходит из него). it) поступательное движение отдельных атомов и молекул происходит в широком диапазоне скоростей (см. анимацию на рис. 1 выше). В любой момент доля частиц, движущихся с заданной скоростью в этом диапазоне, определяется вероятностью, описанной распределением Максвелла – Больцмана . График, показанный здесь на рис. 2,  показывает распределение по скоростям атомов гелия 5500 К. У них наиболее вероятная скорость 4,780 км / с (0,2092 с / км). Однако определенная часть атомов в любой данный момент движется быстрее, в то время как другие движутся относительно медленно; некоторые на мгновение фактически останавливаются (с правой стороны оси x ). На этом графике для оси x используется обратная скорость, поэтому форму кривой можно легко сравнить с кривыми на рис. 5 ниже. На обоих графиках ноль на оси x представляет бесконечную температуру. Кроме того, оси x и y на обоих графиках масштабируются пропорционально.

Высокие скорости поступательного движения

Хотя для непосредственного обнаружения поступательных движений требуется очень специализированное лабораторное оборудование, возникающие в результате столкновения атомов или молекул с небольшими частицами, взвешенными в жидкости, вызывают броуновское движение, которое можно увидеть в обычный микроскоп. Поступательные движения элементарных частиц очень быстрые, и для их непосредственного наблюдения требуются температуры, близкие к абсолютному нулю . Например, когда ученые из NIST в 1994 году достигли рекордной температуры холода в 700 нК (миллиардных долей кельвина), они использовали оборудование с оптическим лазером на решетке для адиабатического охлаждения атомов цезия . Затем они выключили улавливающие лазеры и непосредственно измерили скорость атомов 7 мм в секунду, чтобы вычислить их температуру. Формулы для расчета скорости и скорости поступательного движения приведены в следующей сноске.

Рис. 2.5. Это моделирование иллюстрирует атом аргона так, как он выглядел бы в оптическом микроскопе с увеличением 400 с градуированной сеткой с отметками 50 микрон (0,05 мм). Этот атом движется со скоростью 14,43 микрон в секунду, что дает ему кинетическую температуру в одну триллионную часть кельвина. Атому требуется 13,9 секунды, чтобы пройти 200 микрон (0,2 мм). Хотя атом невидимо толкает из-за энергии нулевой точки, его поступательное движение, видимое здесь, включает в себя всю его кинетическую энергию.

Нетрудно представить атомные движения, обусловленные кинетической температурой, или отличить такие движения от движений, обусловленных нулевой энергией. Рассмотрим следующий гипотетический мысленный эксперимент, показанный на рис. 2.5 слева, с атомом, который чрезвычайно близок к абсолютному нулю. Представьте, что вы смотрите через обычный оптический микроскоп с увеличением 400, что является максимальным практическим увеличением для оптических микроскопов. Такие микроскопы обычно обеспечивают поле зрения чуть более 0,4 мм в диаметре. В центре поля зрения находится один левитирующий атом аргона (аргон составляет около 0,93% воздуха), который светится и светится на темном фоне. Если бы этот атом аргона находился на рекордно высокой отметке в одну триллионную кельвина выше абсолютного нуля и двигался перпендикулярно полю зрения вправо, ему потребовалось бы 13,9 секунды, чтобы переместиться из центра изображения в центр изображения. Отметка 200 микрон; это расстояние перемещения примерно такое же, как ширина точки в конце этого предложения на современных компьютерных мониторах. Поскольку атом аргона медленно перемещается, позиционное дрожание из-за энергии нулевой точки будет намного меньше, чем разрешение 200 нанометров (0,0002 мм) оптического микроскопа. Важно отметить, что поступательная скорость атома 14,43 микрон в секунду составляет всю его сохраненную кинетическую энергию из-за того, что она не находится точно на абсолютном нуле. Будь атом точно в абсолютном нуле, незаметные толчки из-за энергии нулевой точки заставили бы его очень немного блуждать, но атом в среднем постоянно находился бы в одном и том же месте в поле зрения. Это аналогично лодке, у которой был выключен мотор, и теперь она слегка покачивается в относительно спокойных и безветренных водах океана; даже если лодка беспорядочно дрейфует взад и вперед, она остается в одном и том же месте в течение длительного времени и не продвигается по воде. Соответственно, атом, который находится точно в абсолютном нуле, не будет «неподвижным», и все же статистически значимая совокупность таких атомов будет иметь нулевую чистую кинетическую энергию, доступную для передачи любому другому собранию атомов. Это потому, что независимо от кинетической температуры второго набора атомов, они тоже испытывают влияние нулевой энергии. Таковы следствия статистической механики и природы термодинамики.

Внутренние движения молекул и внутренняя энергия

Рис. 3 Молекулы имеют внутреннюю структуру, потому что они состоят из атомов, которые по-разному перемещаются внутри молекул. Возможность хранить кинетическую энергию в этих внутренних степенях свободы способствует удельной теплоемкости или внутренней энергии вещества , позволяя ему содержать больше внутренней энергии при той же температуре.

Как упоминалось выше, помимо трех поступательных степеней свободы, которые наделяют вещества своей кинетической температурой, существуют и другие способы покачивания молекул. Как видно на анимации справа, молекулы - это сложные объекты; они представляют собой совокупность атомов, и тепловое перемешивание может деформировать их внутренние химические связи тремя различными способами: посредством вращения, длины связи и перемещений связующего угла; это все типы внутренних степеней свободы . Это отличает молекулы от одноатомных веществ (состоящих из отдельных атомов), таких как благородные газы, гелий и аргон , которые имеют только три поступательные степени свободы (оси X, Y и Z). Кинетическая энергия хранится во внутренних степенях свободы молекул, что придает им внутреннюю температуру. Несмотря на то, что эти движения называются «внутренними», внешние части молекул продолжают двигаться - скорее, как покачивание неподвижного водяного шара . Это позволяет осуществлять двусторонний обмен кинетической энергией между внутренними движениями и поступательными движениями при каждом столкновении молекул. Соответственно, когда у молекул отводится внутренняя энергия, их кинетическая температура (кинетическая энергия поступательного движения) и их внутренняя температура одновременно уменьшаются в равных пропорциях. Это явление описывается теоремой о равнораспределении , которая утверждает, что для любого объемного количества вещества в равновесии кинетическая энергия движения частицы равномерно распределяется между всеми активными степенями свободы, доступными частицам. Поскольку внутренняя температура молекул обычно равна их кинетической температуре, различие обычно представляет интерес только при детальном изучении явлений нелокального термодинамического равновесия (ЛТР), таких как горение , сублимация твердых тел и диффузия горячих газов. в частичном вакууме.

 Кинетическая энергия , запасенная в молекулах внутри вызывает вещества , чтобы содержать больше тепловой энергии при любой данной температуре и поглощать дополнительную внутреннюю энергию для заданного повышения температуры. Это связано с тем, что любая кинетическая энергия, которая в данный момент связана во внутреннем движении, в этот же момент не вносит вклад в поступательное движение молекул. Эта дополнительная кинетическая энергия просто увеличивает количество внутренней энергии, поглощаемой веществом при заданном повышении температуры. Это свойство известно как удельная теплоемкость вещества .

Различные молекулы поглощают разное количество внутренней энергии для каждого постепенного повышения температуры; то есть они имеют разную удельную теплоемкость. Отчасти высокая удельная теплоемкость возникает из-за того, что молекулы одних веществ обладают большим количеством внутренних степеней свободы, чем другие. Например, азот при комнатной температуре , представляющий собой двухатомную молекулу, имеет пять активных степеней свободы: три включают поступательное движение плюс две внутренние вращательные степени свободы. Неудивительно, что в соответствии с теоремой о равнораспределении азот имеет пять третей удельной теплоемкости на моль (определенное количество молекул), как и одноатомные газы. Другой пример - бензин (см. Таблицу с его удельной теплоемкостью). Бензин может поглощать большое количество тепловой энергии на моль при небольшом изменении температуры, потому что каждая молекула состоит в среднем из 21 атома и, следовательно, имеет множество внутренних степеней свободы. Даже более крупные и сложные молекулы могут иметь десятки внутренних степеней свободы.

Распространение тепловой энергии: энтропия, фононы и подвижные электроны проводимости

Рис. 4 Поступательное движение частиц в твердых телах, вызванное температурой, принимает форму фононов . Здесь показаны фононы с одинаковыми амплитудами, но с длинами волн от 2 до 12 средних межмолекулярных расстояний ( а ).

Теплопроводность - это диффузия тепловой энергии от горячих частей системы к холодным частям. Система может быть либо одной совокупностью, либо множеством дискретных совокупных объектов. Термин « масса» в этом контексте означает статистически значимое количество частиц (которое может быть микроскопическим). Когда тепловая энергия распространяется внутри изолированной системы, разница температур внутри системы уменьшается (а энтропия увеличивается).

Один конкретный механизм теплопроводности возникает, когда поступательное движение, движение частицы, лежащее в основе температуры, передает импульс от частицы к частице при столкновениях. В газах эти поступательные движения имеют характер, показанный выше на рис.1 . Как видно из этой анимации, не только импульс (тепло) распространяется по всему объему газа через последовательные столкновения, но и целые молекулы или атомы могут двигаться вперед на новую территорию, неся с собой свою кинетическую энергию. Следовательно, разница температур в газах очень быстро выравнивается, особенно для легких атомов или молекул; конвекция еще больше ускоряет этот процесс.

Однако поступательное движение в твердых телах принимает форму фононов (см. Рис. 4 справа). Фононы - это ограниченные квантованные волновые пакеты, которые распространяются со скоростью звука данного вещества. Способ взаимодействия фононов в твердом теле определяет множество его свойств, включая теплопроводность. В электрически изолирующих твердых телах теплопроводность на основе фононов обычно неэффективна, и такие твердые тела считаются теплоизоляторами (например, стекло, пластик, резина, керамика и камень). Это связано с тем, что в твердых телах атомы и молекулы заблокированы на месте относительно своих соседей и не могут свободно перемещаться.

Однако металлы не ограничиваются только теплопроводностью на основе фононов. Тепловая энергия проходит через металлы чрезвычайно быстро, потому что вместо прямых столкновений молекул большая часть тепловой энергии передается через очень легкие, подвижные электроны проводимости . Вот почему существует почти идеальная корреляция между теплопроводностью металлов и их электропроводностью . Электроны проводимости наделяют металлы своей необычайной проводимостью, потому что они делокализованы (т. Е. Не привязаны к конкретному атому) и ведут себя скорее как своего рода квантовый газ из-за эффектов нулевой энергии (более подробную информацию о ZPE см. В примечании 1 ниже ). Кроме того, электроны относительно легкие с массой покоя только 1 / одна тысяча восемьсот тридцать-шесть , что в виде протона . Это примерно такое же соотношение, как у пули .22 Short (29 гран или 1,88  г ) по сравнению с винтовкой, которая стреляет по ней. Как писал Исаак Ньютон со своим третьим законом движения ,

Закон № 3: Все силы действуют парами, и эти две силы равны по величине и противоположны по направлению.

Однако при равной силе пуля ускоряется быстрее, чем винтовка. Поскольку кинетическая энергия увеличивается пропорционально квадрату скорости, почти вся кинетическая энергия идет в пулю, а не в винтовку, даже если обе испытывают одинаковую силу от расширяющихся пороховых газов. Таким же образом, поскольку они намного менее массивны, тепловая энергия легко переносится подвижными электронами проводимости. Кроме того, поскольку они делокализованы и очень быстрые, кинетическая тепловая энергия чрезвычайно быстро проходит через металлы с большим количеством электронов проводимости.

Распространение тепловой энергии: излучение черного тела.

Рис. 5 Спектр излучения черного тела имеет форму кривой Планка. Черное тело с температурой 5500 К имеет максимальную длину волны излучения 527 нм. Сравните форму этой кривой с формой распределения Максвелла на рис. 2  выше.

Тепловое излучение - это побочный продукт столкновений, возникающих при различных колебательных движениях атомов. Эти столкновения заставляют электроны атомов испускать тепловые фотоны (известное как излучение черного тела ). Фотоны испускаются всякий раз, когда электрический заряд ускоряется (как это происходит при столкновении электронных облаков двух атомов). Даже отдельные молекулы с внутренней температурой выше абсолютного нуля также испускают излучение черного тела от своих атомов. В любом объеме вещества в состоянии равновесия фотоны черного тела излучаются в диапазоне длин волн в спектре, который имеет форму колоколообразной кривой, которая называется кривой Планка (см. График на рис. 5 справа). Вершина кривой Планка ( максимальная длина волны излучения ) находится в определенной части электромагнитного спектра в зависимости от температуры черного тела. Вещества при экстремальных криогенных температурах излучают в длинных радиоволнах, тогда как при очень высоких температурах образуются короткие гамма-лучи (см. Таблицу общих температур ).

Излучение черного тела распространяет тепловую энергию по всему веществу, поскольку фотоны поглощаются соседними атомами, передавая при этом импульс. Фотоны черного тела также легко выходят из вещества и могут поглощаться окружающей средой; кинетическая энергия теряется в процессе.

Как установлено законом Стефана – Больцмана , интенсивность излучения черного тела увеличивается в четвертой степени абсолютной температуры. Таким образом, черное тело при 824 К (чуть меньше тускло-красного) излучает в 60 раз большую мощность излучения, чем при 296 К (комнатная температура). Вот почему так легко можно почувствовать лучистое тепло от горячих предметов на расстоянии. При более высоких температурах, например, в лампах накаливания , излучение черного тела может быть основным механизмом, с помощью которого тепловая энергия покидает систему.

Таблица термодинамических температур

Полный диапазон термодинамической шкалы температур от абсолютного нуля до абсолютной высокой температуры и некоторые примечательные точки между ними показаны в таблице ниже.

кельвин Пик излучательная
длины волны из
фотонов черного тела
Абсолютный ноль
(именно по определению)
0 К    
Самая низкая измеренная
температура 
450 пк 6,400 км
Один милликельвин
(точно по определению)
0,001 К 2,897 77 м
(радио, диапазон FM )
Космическое микроволновое
фоновое излучение
2.725 К 1,063  мм (пиковая длина волны)
Вода «s тройной точки 273,16 К 10,6083 мкм
(длинноволновое ИК-излучение )
Стандартная температура ISO 1
для прецизионной метрологии
(точно 20 ° C по определению)
293,15 К 9,884 95  мкм
(длинноволновое ИК-излучение )
Лампа накаливания 2500 К 1,16 мкм
(ближний инфракрасный )
Видимая поверхность Солнца 5778 К 501,5  нм
( зеленый свет )

Канал молнии
28000 К 100 нм
(дальний ультрафиолетовый свет)
Ядро Солнца 16 МК 0,18 нм ( рентгеновские лучи )
Термоядерный взрыв
(пиковая температура)
350 мк 8,3 × 10 −3 нм
( гамма-лучи )
Машина Z Sandia National Labs
2 ГК 1,4 × 10-3 нм
(гамма-лучи)
Ядро сверхмассивной
звезды в ее последний день
3 ГК 1 × 10 −3 нм
(гамма-лучи)
Система слияния двойной нейтронной
звезды
350 ГК 8 × 10 −6 нм
(гамма-лучи)
Прародители гамма-всплесков 1 ТЗ 3 × 10 −6 нм
(гамма-лучи)

Столкновения протонов и ядер в ЦЕРНе
10 тк 3 × 10-7 нм
(гамма-лучи)
Вселенная 5.391 × 10 −44 с
после Большого взрыва
1,417 × 10 32 К 1,616 × 10 −26 нм
(планковская частота)

Теплота фазовых переходов

Рисунок 6   Лед и вода: две фазы одного и того же вещества

Кинетическая энергия движения частицы составляет лишь один вклад в общую тепловую энергию вещества; другой - фазовые переходы , которые представляют собой потенциальную энергию молекулярных связей, которые могут образовываться в веществе при его охлаждении (например, во время конденсации и замораживания ). Тепловая энергия, необходимая для фазового перехода, называется скрытой теплотой . Это явление легче понять, если рассмотреть его в обратном направлении: скрытая теплота - это энергия, необходимая для разрыва химических связей (например, во время испарения и плавления ). Почти все знакомы с эффектами фазовых переходов; например, пар при температуре 100 ° C может вызвать серьезные ожоги намного быстрее, чем воздух при температуре 100 ° C из фена . Это происходит из-за того, что при конденсации пара на коже в жидкую воду выделяется большое количество скрытой теплоты.

Несмотря на то, что тепловая энергия выделяется или поглощается во время фазовых переходов, чистые химические элементы , соединения и эвтектические сплавы вообще не изменяют температуру, пока они претерпевают эти изменения (см. Рис. 7, справа внизу). Рассмотрим один конкретный тип фазового перехода: плавление. Когда твердое тело плавится, химические связи кристаллической решетки разрушаются; вещество переходит из так называемого более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние . На рис. 7 таяние льда показано в левом нижнем поле заголовком от синего к зеленому.

Рис. 7 Температура воды не меняется во время фазовых переходов, когда тепло течет в нее или из нее. Общая теплоемкость моля воды в жидкой фазе (зеленая линия) составляет 7,5507 кДж.

В одной конкретной термодинамической точке, точке плавления (которая составляет 0 ° C в широком диапазоне давлений в случае воды), все атомы или молекулы в среднем находятся на максимальном энергетическом пороге, которому их химические связи могут выдерживать, не разрываясь. из решетки. Химические связи - это силы, действующие по принципу «все или ничего»: они либо держатся, либо рвутся; промежуточного состояния нет. Следовательно, когда вещество находится в точке плавления, каждый джоуль добавленной тепловой энергии разрывает связи только определенного количества его атомов или молекул, превращая их в жидкость точно такой же температуры; кинетическая энергия не добавляется к поступательному движению (что и определяет температуру веществ). Эффект похож на попкорн : при определенной температуре дополнительная тепловая энергия не может сделать ядра более горячими до тех пор, пока переход (лопание) не завершится. Если процесс обратный (как при замерзании жидкости), тепловая энергия должна быть удалена из вещества.

Как указано выше, тепловая энергия, необходимая для фазового перехода, называется скрытой теплотой. В конкретных случаях плавления и замерзания это называется энтальпией плавления или теплотой плавления. Если молекулярные связи в кристаллической решетке сильны, теплота плавления может быть относительно большой, обычно в диапазоне от 6 до 30 кДж на моль для воды и большинства металлических элементов. Если вещество является одним из одноатомных газов (которые имеют небольшую тенденцию к образованию молекулярных связей), теплота плавления будет более скромной, от 0,021 до 2,3 кДж на моль. Условно говоря, фазовые переходы могут быть действительно энергетическими событиями. Чтобы полностью растопить лед при 0 ° C в воду при 0 ° C, нужно добавить примерно в 80 раз больше тепловой энергии, чем требуется для повышения температуры той же массы жидкой воды на один градус Цельсия. Соотношение металлов еще больше, обычно в пределах от 400 до 1200 раз. Причем фазовый переход кипения намного энергичнее замерзания. Например, энергия, необходимая для полного кипения или испарения воды (так называемая энтальпия испарения ), примерно в 540 раз больше , чем требуется для увеличения на один градус.

Значительная энтальпия испарения воды является причиной того, что кожа может сгореть так быстро, когда на ней конденсируется пар (заголовок от красного к зеленому на рис. 7  выше). В противоположном направлении, поэтому кожа ощущается прохладной, когда жидкая вода на ней испаряется (процесс, который происходит при температуре ниже окружающей среды по влажному термометру, которая зависит от относительной влажности ). Высокоэнергетическая энтальпия испарения воды также является важным фактором, объясняющим, почему солнечные покрытия для бассейнов (плавающие изолированные одеяла, закрывающие плавательные бассейны, когда они не используются) так эффективны для снижения затрат на отопление: они предотвращают испарение. Например, испарение всего 20 мм воды из бассейна глубиной 1,29 метра охлаждает его воду на 8,4 градуса по Цельсию (15,1 ° F).

Внутренняя энергия

Полная энергия поступательного и внутреннего движения всех частиц, включая энергию электронов проводимости, плюс потенциальная энергия фазовых переходов, плюс энергия нулевой точки, составляют внутреннюю энергию вещества.

Рис. 8 Когда многие химические элементы, такие как благородные газы и металлы платиновой группы , замерзают до твердого состояния - наиболее упорядоченного состояния вещества - их кристаллические структуры имеют плотную упаковку . Это дает максимально возможную плотность упаковки и самое низкое энергетическое состояние.

Внутренняя энергия при абсолютном нуле

По мере охлаждения вещества различные формы внутренней энергии и связанные с ними эффекты одновременно уменьшаются по величине: скрытая теплота доступных фазовых переходов высвобождается, когда вещество переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное состояние; уменьшаются поступательные движения атомов и молекул (уменьшается их кинетическая температура); уменьшаются внутренние движения молекул (уменьшается их внутренняя температура); электроны проводимости (если вещество является электрическим проводником) движутся несколько медленнее; пиковая длина волны излучения черного тела увеличивается (энергия фотонов уменьшается). Когда частицы вещества максимально близки к полному покою и сохраняют только квантово-механическое движение, вызванное ZPE, вещество имеет температуру абсолютного нуля ( T  = 0).

Рис. 9 Из-за воздействия энергии нулевой точки гелий при атмосферном давлении остается сверхтекучим, даже когда он очень близок к абсолютному нулю; он не замерзнет, ​​если давление не будет ниже 25 бар (~ 25 атмосфер).

Обратите внимание, что в то время как абсолютный ноль - это точка нулевой термодинамической температуры, а также точка, в которой частицы, составляющие материю, имеют минимальное движение, абсолютный ноль не обязательно является точкой, в которой вещество содержит нулевую внутреннюю энергию; нужно быть очень точным в том, что подразумевается под внутренней энергией . Часто все фазовые изменения , которые могут происходить в веществе, будут иметь место к тому времени она достигает абсолютный нуль. Тем не менее, это не всегда так. Примечательно, что гелий T  = 0 остается жидким при комнатной температуре ( рис. 9 справа) и для кристаллизации должен находиться под давлением не менее 25  бар (2,5  МПа ). Это связано с тем, что теплота плавления гелия (энергия, необходимая для плавления гелиевого льда) настолько мала (всего 21 джоуль на моль), что вызывающего движение эффекта нулевой энергии достаточно, чтобы предотвратить его замерзание при более низких давлениях.

Еще одна сложность заключается в том, что многие твердые тела меняют свою кристаллическую структуру на более компактные при чрезвычайно высоких давлениях (до миллионов бар или сотен гигапаскалей). Они известны как фазовые переходы твердое тело - твердое тело, при которых скрытая теплота высвобождается, когда кристаллическая решетка превращается в более термодинамически благоприятную, компактную.

Вышеупомянутые сложности делают довольно громоздкие общие утверждения относительно внутренней энергии в  веществах с T = 0. Тем не менее, независимо от давления, можно сказать, что при абсолютном нуле все твердые тела с кристаллической решеткой с наименьшей энергией, такие как твердые тела с наиболее плотной упаковкой (см. Рис. 8, слева вверху), содержат минимальную внутреннюю энергию, сохраняя только необходимую к вездесущему фону нулевой энергии.  Можно также сказать, что для данного вещества при постоянном давлении абсолютный ноль является точкой наименьшей энтальпии (мера рабочего потенциала, учитывающая внутреннюю энергию, давление и объем). Наконец, всегда верно сказать, что все  вещества с T = 0 содержат нулевую кинетическую тепловую энергию. 

Практическое применение термодинамической температуры

Термодинамическая температура полезна не только для ученых, она также может быть полезна для непрофессионалов во многих областях, связанных с газами. Выражая переменные в абсолютном выражении и применяя закон пропорциональности температуры / давления Гей-Люссака , решения повседневных проблем становятся простыми; например, вычисление того, как изменение температуры влияет на давление в автомобильной шине. Если манометрическое давление в шине составляет 200  кПа , то ее абсолютное давление составляет 300 кПа. Комнатная температура («холодная» в терминах шин) составляет 296 K. Если температура шины на 20 ° C выше (20 кельвинов), решение рассчитывается как316 К/296 К = На 6,8% выше термодинамическая температура и абсолютное давление; то есть абсолютное давление 320 кПа, что соответствует манометрическому давлению 220 кПа.

Связь с законом об идеальном газе

Термодинамическая температура тесно связана с законом идеального газа и его последствиями. Это можно связать также со вторым началом термодинамики. Можно показать, что термодинамическая температура обладает особыми свойствами и, в частности, может быть определена однозначно (с точностью до некоторого постоянного мультипликативного коэффициента) с учетом эффективности идеализированных тепловых двигателей . Таким образом, отношение Т 2 / Т 1 двух температур Т 1 и Т 2 одинаково во всех абсолютных масштабах.

Строго говоря, температура системы хорошо определена, только если она находится в состоянии теплового равновесия . С микроскопической точки зрения материал находится в тепловом равновесии, если количество тепла между его отдельными частицами сокращается. Существует множество возможных шкал температуры, полученных из различных наблюдений за физическими явлениями.

Грубо говоря, разница температур определяет направление тепла между двумя системами, так что их суммарная энергия максимально распределяется между их самыми низкими возможными состояниями. Мы называем это распределение « энтропией ». Чтобы лучше понять взаимосвязь между температурой и энтропией, рассмотрим взаимосвязь между теплотой, работой и температурой, показанную на тепловом двигателе Карно . Двигатель преобразует тепло в работу, направляя температурный градиент между источником тепла с более высокой температурой, T H , и радиатором с более низкой температурой, T C , через поршень, заполненный газом. Работа за цикл равна разность между теплом , подаваемым в двигатель T H , д H , и тепловая энергией , поставляемой T C двигателем, д C . КПД двигателя является работа делится на тепловой помещенной в систему или

 

 

 

 

( 1 )

где работа, выполненная за цикл. Таким образом, эффективность зависит только от д С / д Н .

Теорема Карно утверждает, что все реверсивные двигатели, работающие между одними и теми же тепловыми резервуарами, одинаково эффективны. Таким образом, любая обратимая тепловая машина, работающая между температурами T 1 и T 2, должна иметь одинаковый КПД, то есть КПД зависит только от температур.

 

 

 

 

( 2 )

Кроме того, реверсивный тепловой двигатель, работающий между температурами T 1 и T 3, должен иметь такой же КПД, как и двигатель, состоящий из двух циклов, один между T 1 и другой (промежуточной) температурой T 2 , а второй - между T 2 и T 3 . Если бы это было не так, то энергия (в форме Q ) будет растрачиваться или набираться, что приводит к разной общей эффективности каждый раз, когда цикл разбивается на циклы компонентов; ясно, что цикл может состоять из любого количества меньших циклов.

С таким пониманием Q 1 , Q 2 и Q 3 математически,

Но первая функция НЕ является функцией T 2 , поэтому произведение двух последних функций ДОЛЖНО привести к удалению T 2 как переменной. Поэтому единственный способ - определить функцию f следующим образом:

а также

так что

т.е. коэффициент теплообмена является функцией соответствующих температур, при которых они происходят. Мы можем выбрать любую монотонную функцию для нашей ; мы выбираем из соображений удобства и условности . Выбирая затем одну фиксированную эталонную температуру (т.е. тройную точку воды), мы устанавливаем термодинамическую шкалу температур.

Такое определение совпадает с определением идеального газа; Кроме того, именно это определение термодинамической температуры позволяет нам представить эффективность Карно в терминах T H и T C и, следовательно, вывести, что (полный) цикл Карно изоэнтропичен:

 

 

 

 

( 3 )

Подставляя это обратно в нашу первую формулу для эффективности, получаем зависимость в терминах температуры:

 

 

 

 

( 4 )

Обратите внимание, что для T C = 0 эффективность составляет 100%, и эта эффективность становится больше 100% для T C <0, что нереалистично. Вычитание правой части уравнения 4 из средней части и перестановка дает

где отрицательный знак указывает на тепло, выделяемое из системы. Обобщением этого уравнения является теорема Клаузиуса , которая предполагает существование функции состояния (т. Е. Функции, которая зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния), определяемой (с точностью до аддитивной константы) формулой

 

 

 

 

( 5 )

где нижний индекс указывает на теплообмен в обратимом процессе. Функция соответствует энтропии системы, упомянутой ранее, и изменение любого цикла равно нулю (что необходимо для любой функции состояния). Уравнение 5 можно переформулировать, чтобы получить альтернативное определение температуры в терминах энтропии и тепла (чтобы избежать логической петли, мы должны сначала определить энтропию с помощью статистической механики):

Поэтому для системы, в которой энтропия является функцией ее энергии , термодинамическая температура определяется выражением

так что величина, обратная термодинамической температуре, является скоростью увеличения энтропии с энергией.

История

1702–1703: Гийом Амонтонс (1663–1705) опубликовал две статьи, которые можно использовать, чтобы считать его первым исследователем, который пришел к выводу о существовании фундаментальной (термодинамической) температурной шкалы с абсолютным нулем. Он сделал это открытие, пытаясь улучшить используемые в то время воздушные термометры. Его термометры с J-образной трубкой состояли из столбика ртути, который поддерживался фиксированной массой воздуха, заключенной в чувствительной части термометра. С точки зрения термодинамики, его термометры основывались на соотношении объема / температуры газа при постоянном давлении. Его измерения температуры кипения воды и температуры плавления льда показали, что независимо от массы воздуха, удерживаемого внутри его термометров, или веса ртути, которую воздух поддерживал, уменьшение объема воздуха в точке обледенения всегда было одним и тем же соотношением. . Это наблюдение привело его к выводу, что достаточное снижение температуры уменьшит объем воздуха до нуля. Фактически, его расчеты предполагали, что абсолютный ноль эквивалентен –240 ° C - всего на 33,15 градуса меньше истинного значения –273,15 ° C. Открытие Амонтоном однозначной связи между абсолютной температурой и абсолютным давлением было переоткрыто столетием позже и популяризировано в научном сообществе Жозефом Луи Гей-Люссаком . Сегодня этот принцип термодинамики широко известен как закон Гей-Люссака, но также известен как закон Амонтона .

1742: Андерс Цельсий (1701–1744) создал «обратную» версию современной шкалы температур Цельсия. В исходной шкале Цельсия ноль соответствует температуре кипения воды, а 100 - температуре плавления льда. В своей статье « Наблюдения за двумя постоянными градусами на термометре» он рассказал о своих экспериментах, показывающих, что на точку плавления льда не влияет давление. Он также с удивительной точностью определил, как температура кипения воды изменяется в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что ноль на его температурной шкале (точка кипения воды) будет откалиброван по среднему барометрическому давлению на среднем уровне моря.

1744: Совпадение со смертью Андерса Цельсия, знаменитый ботаник Карл Линней (1707–1778) фактически перевернул шкалу Цельсия после получения своего первого термометра со шкалой, где ноль соответствует температуре плавления льда, а 100 - температуре кипения воды. Изготовленный на заказ термометр Линнея для использования в его теплицах был изготовлен Даниэлем Экстрёмом, ведущим шведским производителем научных инструментов того времени. В течение следующих 204 лет научные сообщества и сообщества термометров во всем мире называли эту шкалу шкалой Цельсия . Температуры по шкале Цельсия часто указывались просто в градусах или, когда требовалась большая конкретность, в градусах Цельсия . Символом для значений температуры на этой шкале был ° C (в нескольких форматах в разные годы). Поскольку этот термин по Цельсию также название на французском языке для единицы измерения угла (одной сотой под прямым углом) и имел подобный оттенок на других языках, термин « сотенная степень » был использован при очень точный, однозначном языке был требуется международными органами по стандартизации, такими как Международное бюро мер и весов ( Bureau International des poids et mesures ) (BIPM). Девятая сессия CGPM ( Генеральная конференция по мерам и весам ( Conférence générale des poids et mesures ) и CIPM ( Международный комитет мер и весов ( Comité international des poids et mesures )) официально приняли градус Цельсия (символ: ° C) в 1948 году.

1777: В своей книге « Пирометрия» (Берлин: Haude & Spener , 1779), завершенной за четыре месяца до его смерти, Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777), иногда ошибочно называемый Джозефом Ламбертом, предложил шкалу абсолютных температур, основанную на давлении / температуре. отношение фиксированного объема газа. Это отличается от отношения объема / температуры газа под постоянным давлением, которое Гийом Амонтон обнаружил 75 лет назад. Ламберт заявил, что абсолютный ноль - это точка, в которой простая прямолинейная экстраполяция достигает нулевого давления газа и составляет -270 ° C.

Приблизительно 1787 год. Несмотря на работу Гийома Амонтона 85 лет назад, Жаку Александру Сезару Шарлю (1746–1823) часто приписывают открытие, но не публикацию, что объем газа под постоянным давлением пропорционален его абсолютной температуре. Созданная им формула была V 1 / T 1  =  V 2 / T 2 .

1802: Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) опубликовал работу (признающую неопубликованные лабораторные записи Жака Шарля пятнадцатью годами ранее), описывающую, как объем газа под постоянным давлением изменяется линейно с его абсолютной (термодинамической) температурой. Такое поведение называется законом Чарльза и является одним из газовых законов . Это первые известные формулы, в которых число 273 используется для обозначения коэффициента расширения газа относительно точки плавления льда (что указывает на то, что абсолютный ноль эквивалентен -273 ° C).

1848: Уильям Томсон (1824-1907) , также известный как лорд Кельвин, писал в своей статье, по абсолютной шкале Thermometric , потребности в масштабе посредством бесконечного холода (абсолютный нуль) был нулевой точки на шкале, и которая используется градус Цельсия для приращения единицы измерения. Как и Гей-Люссак, Томсон вычислил, что абсолютный ноль был эквивалентен -273 ° C на воздушных термометрах того времени. Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая температурная шкала Кельвина. Примечательно, что значение -273 Томсона фактически было получено из 0,00366, что было принятым коэффициентом расширения газа на градус Цельсия относительно точки льда. Обратное значение -0,00366, выраженное до пяти значащих цифр, равно -273,22 ° C, что очень близко к истинному значению -273,15 ° C.

1859: Маккорн Ренкин (1820–1872) предложил термодинамическую шкалу температур, аналогичную шкале Уильяма Томсона, но в которой для приращения единиц измерения использовался градус Фаренгейта . Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая температурная шкала Ренкина .

1877–1884: Людвиг Больцман (1844–1906) внес большой вклад в термодинамику, понимая роль, которую играют кинетика частиц и излучение черного тела. Его имя теперь прикреплено к нескольким формулам, используемым сегодня в термодинамике.

Приблизительно 1930-е годы: эксперименты по газовой термометрии, тщательно откалиброванные по температуре плавления льда и температуре кипения воды, показали, что абсолютный ноль эквивалентен -273,15 ° C.

1948: Резолюция 3 9-го ГКБМ (Conférence Générale des Poids et Mesures, также известная как Генеральная конференция по мерам и весам ) зафиксировала тройную точку воды на уровне 0,01 ° C. В настоящее время для тройной точки еще не было формального определения эквивалентного значения в градусах Кельвина, которое, как было заявлено в разрешении, «будет исправлено позднее». Подразумевается, что если значение абсолютного нуля, измеренное в 1930-х годах, действительно составляло -273,15 ° C, то тройная точка воды (0,01 ° C) была эквивалентна 273,16 K. Кроме того, как CIPM (Comité international des poids et mesures) , также известный как Международный комитет мер и весов) и CGPM официально приняли название Цельсия для градуса Цельсия и температурной шкалы Цельсия . 

1954: Резолюция 3 10-го совещания CGPM дала шкале Кельвина ее современное определение, выбрав тройную точку воды в качестве ее верхней определяющей точки (без изменения абсолютного нуля, являющейся нулевой точкой) и присвоив ей температуру ровно 273,16 кельвина (что на самом деле в то время было написано 273,16 градуса Кельвина ). Это, в сочетании с Резолюцией 3 9-й сессии CGPM, привело к определению абсолютного нуля как равного нулю кельвина и −273,15 ° C.

1967/1968: Постановление 3 13-го ГКГМ переименовало единицу приращения термодинамической температуры в кельвин , символ K, заменив градус абсолютного , символ ° K. Кроме того, сочтя полезным более четко определить величину приращения единицы измерения, 13-я ГКВП также решила в Резолюции 4, что «Кельвин, единица термодинамической температуры, представляет собой долю 1 / 273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. ".

2005: CIPM (Comité International des Poids et Mesures, также известный как Международный комитет мер и весов ) подтвердил, что для целей определения температуры тройной точки воды определение термодинамической температурной шкалы Кельвина будет относиться к вода, имеющая изотопный состав, точно равный номинальной спецификации Венской стандартной средней океанической воды .

2019: В ноябре 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) изменила определение Кельвина, установив постоянную Больцмана на1,380 649 × 10 −23 при выражении в единицах Дж / К. Это изменение (и другие изменения в определении единиц СИ) вступили в силу в 144-ю годовщину Метрической конвенции, 20 мая 2019 года.

Смотрите также

Примечания

В следующих примечаниях везде, где числовые равенства показаны в сжатой форме , например1.854 87 (14) × 10 43 , две цифры в скобках обозначают неопределенность при 1-σ (1 стандартное отклонение , 68% доверительный уровень) в двух наименее значимых цифрах значащей величины .

внешние ссылки