Kelvin -Kelvin

Kelvin
CelsiusKelvinTermómetro.jpg
Termómetro con marcas en Celsius y en Kelvin
Información general
Unidad de sistema Sistema internacional de unidades (SI)
Unidad de La temperatura
Símbolo k
Lleva el nombre de William Thomson, primer barón Kelvin
Conversiones
xK en  ... ... es igual a ...
   Unidades SI    x  − 273,15  °C
   Unidades imperiales / estadounidenses    1,8 (  x  − 273,15) + 32  °F
   Escala absoluta imperial/estadounidense    1,8  x  °Ra

El kelvin , símbolo K, es la unidad básica de temperatura del SI , nombrada en honor al ingeniero y físico William Thomson, primer barón Kelvin (1824–1907) , nacido en Belfast y radicado en la Universidad de Glasgow . La escala Kelvin es una escala de temperatura termodinámica absoluta , lo que significa que utiliza el cero absoluto como punto nulo.

La escala Kelvin se desarrolló cambiando el punto de partida de la mucho más antigua escala Celsius desde el punto de fusión del agua hasta el cero absoluto, y sus incrementos aún se aproximan mucho a la definición histórica de un grado Celsius, pero desde 2019 la escala ha sido definida por fijando la constante k de Boltzmann en1,380 649 × 10 −23  J⋅K −1 . Por lo tanto, un kelvin es igual a un cambio en la temperatura termodinámica T que resulta en un cambio de energía térmica kT por1.380 649 × 10 −23  J . La temperatura en Celsius ahora se define como la temperatura en kelvins menos 273,15, lo que significa que un cambio o diferencia de temperatura tiene exactamente el mismo valor cuando se expresa en kelvins que en Celsius, que el cero absoluto es exactamente 0 K y −273,15 °C, y que el agua pura se congela muy cerca de 273,15 K y hierve cerca de 373,15 K a presión atmosférica estándar .

El kelvin es la unidad principal de temperatura para la ingeniería y las ciencias físicas , mientras que en la mayoría de los países Celsius sigue siendo la escala dominante fuera de estos campos y en los Estados Unidos la escala Fahrenheit (también definida ahora usando el kelvin) todavía está muy extendida .

A diferencia del grado Fahrenheit y el grado Celsius, el kelvin data de mediados del siglo XIX en lugar de principios o mediados del siglo XVIII y nunca se menciona ni se escribe como un grado , ni normalmente se escribe con mayúscula excepto cuando se abrevia como K, por ejemplo, "Hace 50 grados Fahrenheit afuera". " frente a "Hace 10 grados centígrados afuera" frente a "Hace 283 grados Kelvin afuera".

Historia

precursores

Un baño de agua helada ofrecía un punto de calibración práctico para los termómetros en una época anterior a que se entendiera bien la naturaleza física del calor .

Durante el siglo XVIII se desarrollaron múltiples escalas de temperatura , sobre todo Fahrenheit y centígrados (más tarde Celsius ). Estas escalas son anteriores a gran parte de la ciencia moderna de la termodinámica , incluido el consenso científico a favor de la teoría atómica y la teoría cinética de los gases que sustentan el concepto de cero absoluto. En su lugar, eligieron puntos definidos dentro del rango de la experiencia humana en ese momento que podrían reproducirse de manera fácil y razonablemente precisa, pero que no necesariamente tenían un significado profundo en la física térmica. En el caso de la escala Celsius (y la ya desaparecida escala de Newton y la escala de Réaumur ), el punto de fusión del agua sirvió como un punto de partida semi-arbitrario, con Celsius siendo definido, desde la década de 1740 hasta la década de 1940 , calibrando un termómetro tal que:

Esto se refiere al agua pura a una presión determinada diseñada para aproximarse a la presión natural del aire al nivel del mar . Una implicación de esto fue que un incremento de 1 °C era igual a un incremento de1/100de la diferencia de temperatura entre los puntos de fusión y ebullición. Este intervalo de temperatura se convertiría en la plantilla para el kelvin.

Señor Kelvin

Lord Kelvin , homónimo de la unidad de medida

En 1848, William Thomson, quien más tarde fue ennoblecido como Lord Kelvin , publicó un artículo sobre una escala termométrica absoluta . Usando la teoría calórica que pronto desaparecerá , propuso una escala "absoluta" basada en los siguientes parámetros:

  • El punto de fusión del agua es de 0 grados.
  • El punto de ebullición del agua es de 100 grados.

"Los puntos arbitrarios que coinciden en las dos escalas son 0° y 100°"

"La propiedad característica de la escala que ahora propongo es que todos los grados tienen el mismo valor; es decir, que una unidad de calor desciende de un cuerpo A a la temperatura T ° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura ( T − 1)°, daría el mismo efecto mecánico, cualquiera que sea el número T. Esto puede llamarse justamente una escala absoluta, ya que su característica es bastante independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica".

Como se entiende el teorema de Carnot en la termodinámica moderna para describir simplemente la eficiencia máxima con la que la energía térmica se puede convertir en energía mecánica y la eficiencia máxima predicha es una función de la relación entre las temperaturas absolutas de la fuente de calor y el disipador de calor:

  • Eficiencia ≤ 1 −temperatura absoluta del disipador de calor/temperatura absoluta de la fuente de calor

De ello se deduce que los incrementos de igual número de grados en esta escala siempre deben representar aumentos proporcionales iguales en la temperatura absoluta. El valor numérico de una temperatura absoluta, T , en la escala de 1848 está relacionado con la temperatura absoluta del punto de fusión del agua, T mpw , y la temperatura absoluta del punto de ebullición del agua, T bpw , por:

  • T (escala 1848) = 100 ( lnT/Tmpw _) / ( enT peso corporal/Tmpw _)

En esta escala, un aumento de 222 grados siempre significa una duplicación aproximada de la temperatura absoluta, independientemente de la temperatura inicial.

En una nota a pie de página, Thomson calculó que el "frío infinito" ( cero absoluto , que tendría un valor numérico de infinito negativo en esta escala) equivalía a -273 °C utilizando los termómetros de aire de la época. Este valor de "−273" era el recíproco negativo de 0,00366, el coeficiente aceptado de expansión térmica de un gas ideal por grado Celsius en relación con el punto de hielo, lo que otorga una consistencia notable al valor actualmente aceptado.

En una década, Thomson abandonó la teoría calórica y reemplazó la escala de 1848 con una nueva basada en las 2 características que caracterizarían todas las versiones futuras de la escala Kelvin:

  • El cero absoluto es el punto nulo.
  • Los incrementos tienen la misma magnitud que en la escala Celsius.

En 1892, Thomson recibió el título nobiliario de primer barón Kelvin de Largs , o más sucintamente Lord Kelvin. Este nombre era una referencia al río Kelvin que atraviesa los terrenos de la Universidad de Glasgow.

En las primeras décadas del siglo XX, la escala Kelvin a menudo se denominaba escala " Celsius absoluta ", que indicaba los grados Celsius contados desde el cero absoluto en lugar del punto de congelación del agua, y usaba el mismo símbolo para los grados Celsius regulares, °C.

Estándar de triple punto

Un diagrama de fase típico . La línea verde continua se aplica a la mayoría de las sustancias; la línea verde discontinua da el comportamiento anómalo del agua. La línea de ebullición (azul continuo) va desde el punto triple hasta el punto crítico , más allá del cual los aumentos adicionales de temperatura y presión producen un fluido supercrítico .

En 1873, el hermano mayor de William Thomson, James , acuñó el término punto triple para describir la combinación de temperatura y presión a la que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia eran capaces de coexistir en equilibrio termodinámico . Mientras que dos fases cualesquiera pueden coexistir a lo largo de un rango de combinaciones de temperatura y presión (por ejemplo, el punto de ebullición del agua puede verse afectado de manera dramática al aumentar o disminuir la presión), la condición del punto triple para una sustancia dada puede ocurrir solo a 1 presión y solo a a 1 temperatura. En la década de 1940, el punto triple del agua se había medido experimentalmente en aproximadamente el 0,6% de la presión atmosférica estándar y muy cerca de 0,01 °C según la definición histórica de Celsius que se usaba en ese momento.

En 1948, la escala Celsius se recalibró asignando a la temperatura del punto triple del agua el valor de 0,01 °C exactamente y permitiendo que el punto de fusión a presión atmosférica estándar tuviera un valor determinado empíricamente (y el punto de fusión real a presión ambiental valor fluctuante ) cerca de 0 °C. Esto se justificó sobre la base de que se consideró que el punto triple proporcionaba una temperatura de referencia reproducible con mayor precisión que el punto de fusión.

En 1954, con el cero absoluto determinado experimentalmente en aproximadamente −273,15 °C según la definición de °C entonces en uso, la Resolución 3 de la 10ª Conferencia General sobre Pesos y Medidas (CGPM) introdujo una nueva escala Kelvin estandarizada internacionalmente que definía el punto triple como exactamente: 273,15 + 0,01 = 273,16 "grados Kelvin"

En 1967/1968, la Resolución 3 de la 13ª CGPM renombró el incremento unitario de temperatura termodinámica como "kelvin", símbolo K, en sustitución de "grado Kelvin", símbolo °K. La 13ª CGPM también sostuvo en la Resolución 4 que "El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es igual a la fracción1/273.16de la temperatura termodinámica del punto triple del agua".

Después de la redefinición del metro en 1983 , esto dejó al kelvin, el segundo y el kilogramo como las únicas unidades SI no definidas con referencia a ninguna otra unidad.

En 2005, al señalar que el punto triple podría estar influenciado por la relación isotópica del hidrógeno y el oxígeno que componen una muestra de agua y que esta era "ahora una de las principales fuentes de la variabilidad observada entre diferentes realizaciones del punto triple del agua", el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM), comité de la CGPM, afirmó que para efectos de delinear la temperatura del punto triple del agua, la definición del kelvin se referiría al agua que tiene la composición isotópica especificada por el Estándar de Viena Agua de océano media .

redefinición 2019

El kelvin ahora está fijo en términos de la constante de Boltzmann y el joule , definido por la frecuencia de transición hiperfina del cesio-133 y la constante de Planck . Tanto k como k B son abreviaturas aceptadas para la constante de Boltzmann.

En 2005, el CIPM inició un programa para redefinir el kelvin (junto con las otras unidades del SI) utilizando un método experimental más riguroso. En particular, el comité propuso redefinir el kelvin de modo que la constante de Boltzmann tome el valor exacto1,380 6505 × 10 −23  J/K . El comité esperaba que el programa se completara a tiempo para su aprobación por la CGPM en su reunión de 2011, pero en la reunión de 2011 la decisión se pospuso para la reunión de 2014 cuando se consideraría como parte de un programa más amplio .

La redefinición se pospuso aún más en 2014, a la espera de mediciones más precisas de la constante de Boltzmann en términos de la definición actual, pero finalmente se adoptó en la 26.ª CGPM a fines de 2018, con un valor de k  = 1,380 649 × 10 −23  J⋅K −1 .

A efectos científicos, la principal ventaja es que permite realizar mediciones a temperaturas muy bajas y muy altas con mayor precisión, ya que las técnicas utilizadas dependen de la constante de Boltzmann. También tiene la ventaja filosófica de ser independiente de cualquier sustancia en particular. La unidad J/K es igual a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , donde el kilogramo , el metro y el segundo se definen en términos de la constante de Planck , la velocidad de la luz y la duración del cesio-133 transición hiperfina de estado fundamental respectivamente. Por lo tanto, esta definición depende solo de constantes universales y no de ningún artefacto físico como se practicaba anteriormente. El desafío era evitar degradar la precisión de las mediciones cercanas al punto triple. A efectos prácticos, la redefinición pasó desapercibida; el agua todavía se congela a 273,15 K (0 °C), y el punto triple del agua sigue siendo una temperatura de referencia de laboratorio de uso común.

La diferencia es que, antes de la redefinición, el punto triple del agua era exacto y la constante de Boltzmann tenía un valor medido de1.380 649 03 (51) × 10 −23  J/K , con una incertidumbre típica relativa de3,7 × 10 −7 . Posteriormente, la constante de Boltzmann es exacta y la incertidumbre se traslada al punto triple del agua, que ahora es273.1600(1) K .

La nueva definición entró en vigor oficialmente el 20 de mayo de 2019, el 144 aniversario de la Convención del Metro .

usos prácticos

Fórmulas de conversión de temperatura Kelvin
de Kelvin a kelvin
Celsius [°C] = [K] − 273,15 [K] = [°C] + 273,15
Fahrenheit [°F] = [K] ×  95  − 459,67 [K] = ([°F] + 459,67) ×  59
Ranking [°R] = [K] ×  95 [K] = [°R] ×  59
Para intervalos de temperatura en lugar de temperaturas específicas,
1 K = 1 °C = 95  °F = 95  °R
Comparaciones entre varias escalas de temperatura

Temperatura del color

El kelvin se usa a menudo como una medida de la temperatura de color de las fuentes de luz. La temperatura de color se basa en el principio de que un radiador de cuerpo negro emite luz con una distribución de frecuencia característica de su temperatura. Cuerpos negros a temperaturas por debajo de4000 K aparecen rojizos, mientras que los superiores a unos7500 K aparecen azulados. La temperatura de color es importante en los campos de proyección de imágenes y fotografía , donde una temperatura de color de aproximadamenteSe requiere 5600 K para igualar las emulsiones de película de "luz diurna". En astronomía , la clasificación estelar de las estrellas y su lugar en el diagrama de Hertzsprung-Russell se basan, en parte, en la temperatura de su superficie, conocida como temperatura efectiva . La fotosfera del Sol , por ejemplo, tiene una temperatura efectiva de5778K .

Las cámaras digitales y el software fotográfico suelen utilizar la temperatura de color en K en los menús de edición y configuración. La guía simple es que una temperatura de color más alta produce una imagen con tonos blancos y azules mejorados. La reducción de la temperatura de color produce una imagen más dominada por colores rojizos, "más cálidos" .

Kelvin como unidad de temperatura de ruido

Para la electrónica, el kelvin se usa como un indicador de qué tan ruidoso es un circuito en relación con un piso de ruido final , es decir, la temperatura de ruido . El llamado ruido de Johnson-Nyquist de capacitores y resistencias discretas es un tipo de ruido térmico derivado de la constante de Boltzmann y se puede usar para determinar la temperatura de ruido de un circuito usando las fórmulas de ruido de Friis .

carácter Unicode

El símbolo está codificado en Unicode en el punto de código U+212A K KELVIN SIGN . Sin embargo, este es un carácter de compatibilidad proporcionado para compatibilidad con codificaciones heredadas. El estándar Unicode recomienda usar U+004B K LETRA K MAYÚSCULA LATINA en su lugar; es decir, una K mayúscula normal . "Se ha dado equivalencia canónica a tres símbolos parecidos a letras con letras regulares: U+2126 Ω OHM SIGN , U+212A K KELVIN SIGN y U+212B Å ANGSTROM SIGN . En los tres casos, se debe usar la letra regular".

Ver también

Referencias

enlaces externos