Kelvin



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Kelvin
Termómetro Celsius / Kelvin.
Termómetro Celsius / Kelvin.
Información
Sistema Sistema internacional ( unidad base )
Unidad de… Temperatura termodinámica
Símbolo K
Epónimo William Thomson, Lord Kelvin

El kelvin (símbolo K , llamado así por William Thomson, dijo Lord Kelvin), es la unidad base SI de temperatura termodinámica . Por convención, los nombres de las unidades son nombres comunes y están escritos en minúsculas ("kelvin" no "Kelvin").

Hasta que , el kelvin se definió como la fracción 1 / 273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (H 2 O), Una variación de la temperatura de 1  K es equivalente a una variación de ° C . La nueva definición apunta a respetar este valor, pero anclándolo en un valor fijo de la constante de Boltzmann .

A diferencia del grado Celsius , el kelvin es una medida absoluta de temperatura que se introdujo gracias al tercer principio de la termodinámica . La temperatura de 0  K es igual a -273,15  ° C y corresponde al cero absoluto (el punto triple del agua está, por tanto, a la temperatura de 0,01  ° C ).

El kelvin, al no ser una medida relativa, nunca está precedido por la palabra "grado" o el símbolo "°", a diferencia de los grados Celsius o Fahrenheit .

Escala de temperatura Kelvin

La escala de temperatura Celsius es, por definición, la temperatura absoluta originalmente desplazada en 273,15  K  :

con :
  • temperatura en Kelvin;
  • la temperatura en grados Celsius .

Deducimos que:

  • el cero absoluto se encuentra a -273,15  ° C  ;
  • las temperaturas en Kelvin nunca son negativas;
  • los intervalos de la escala de grados Celsius son idénticos a los de Kelvin.

El recíproco de la temperatura es un parámetro que ocurre a menudo en las fórmulas. Los físicos a veces usan el parámetro β como:

con en kelvins y donde es la constante de Boltzmann .

Conversión a otras unidades

En la práctica :

  • Kelvin en grados Celsius: ° C = K - 273.15
  • grados Celsius en Kelvin: K = ° C + 273.15
  • Kelvin en grados Fahrenheit: ° F = K × 1.8 - 459.67
  • grados Fahrenheit en Kelvin: K = (° F + 459.67) / 1.8

Por lo tanto, ° C = 273.15 K, ° C = 274.15 K,  etc.

Construcción de la unidad Kelvin y consecuencias.

De 1954 a 2019, la unidad de temperatura del Sistema Internacional y sus unidades derivadas , determinadas por una convención internacional, se basan en la temperatura termodinámica del punto triple del agua, TH 2 O
T
= 273,16  K  :

  • Kelvin (K):
    • origen: 0  K = cero absoluto ,
    • valor : TH 2 O
      T
      /273.16
      (fracción 1/273.16la temperatura termodinámica del punto triple del agua );
  • grado Celsius (° C):
    • valor: idéntico a kelvin (es decir, una diferencia de temperatura tiene el mismo valor en grados Celsius y en kelvin),
    • origen: 0  ° C = 273,15  K . Por tanto, el punto triple del agua es exactamente 0,01  ° C. El punto de fusión del hielo a presión atmosférica es de aproximadamente ° C.

La fracción 1273,16 se debe, por tanto, a la elección del punto triple del agua como punto de referencia y al deseo de definir una unidad de temperatura que permita encontrar los intervalos de temperatura habituales asociados a las antiguas escalas de temperatura. Aunque la definición oficial actual del grado Celsius se basa en la del kelvin, este último se estableció más tarde.

Históricamente, los puntos de referencia elegidos para construir las escalas de temperatura fueron la temperatura de congelación del agua, que define cero, y la temperatura de ebullición, fijada en 100. Estos dos puntos definieron así una escala centígrada cuyo paso es una centésima parte de la diferencia de temperatura entre estos dos puntos. Esta escala de temperatura se ha confundido durante mucho tiempo con la escala Celsius.

La noción de temperatura termodinámica , e implícitamente la de temperatura absoluta , introduce la noción de cero absoluto , haciendo innecesaria la referencia a dos puntos. Un único punto de referencia fijo es suficiente. El punto triple del agua, es decir las condiciones en las que coexisten los tres estados (líquido, sólido y gas) del agua, es un punto de temperatura y presión invariantes ( varianza cero). Constituye, por tanto, un punto de referencia fijo fundamental, más estable que la temperatura de congelación, por ejemplo, que depende de muchos parámetros y que puede descender a -38  ° C para el agua pura superenfriada .

Una vez adoptado este punto de referencia, queda por definir el intervalo de un kelvin que se fija de la siguiente manera: El kelvin es la fracción 1273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua .

Esto a su vez se convierte en la referencia para la definición de grado Celsius. Como resultado de esta reforma, esta última se reduce al estado de una unidad derivada del Sistema Internacional  : la unidad de temperatura Celsius es igual por definición a la unidad de temperatura kelvin, teniendo cualquier intervalo de temperatura el mismo valor numérico en los dos unidades.

Sin embargo, debido a esta unidad de selección, el punto de ebullición del agua a presión atmosférica normal no es fija en 100  ° C pero al 99,9839  ° C . Sin embargo, esta elección conduce a un hueco muy pequeño con el valor 100, que mantiene las definiciones actuales de los puntos de congelación y el agua hirviendo a presión atmosférica: alrededor de ° C a aproximadamente 100  ° C .

Estrictamente hablando, solo la escala centígrada obsoleta todavía asigna el valor exacto 100 a la temperatura de este punto de ebullición.

En 2005 se perfeccionó la definición especificando la composición isotópica del agua cuyo punto triple se utiliza:

  • 0,000 155 76 moles de 2 H por mol de 1 H  ;
  • 0,000 379 9 moles de 17 O por mol de 16 O;
  • 0,002,005 2 mol de 18 O por mol de 16 O.

Esta composición es la del material de referencia del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), conocido como "  Ocean Water Vienna Standard Mean  " (VSMOW, English Vienna Standard Mean Ocean Water ), según lo recomendado por la International Union of Pure and Applied Química (IUPAC).

En 2018, se decidió redefinir las unidades del sistema internacional .

A partir de , siguiendo el trabajo del Comité Internacional de Pesas y Medidas , la definición de kelvin cambia fundamentalmente. En lugar de depender de cambios en el estado del agua para definir la escala, la nueva definición se basa en la energía equivalente dada por la ecuación de Boltzmann .

Nueva definición
El valor del kelvin, K, se define fijando el valor numérico de la constante de Boltzmann en exactamente 1.380 649 × 10 −23  J K −1 (o s −2  m 2  kg K −1 ).

El kelvin es, por tanto, el cambio de temperatura termodinámico resultante de un cambio en la energía térmica de , o unidades de acción, h por segundo .

Múltiple

Múltiplos y submúltiplos del kelvin
10 N Unidad con
prefijo
Símbolo Número
10 24 yottakelvin YK Cuatrillón
10 21 zettakelvin ZK Trilliard
10 18 exakelvin EK Billones
10 15 petakelvin paquete De billar
10 12 terakelvin TK Billones
10 9 gigakelvin G K Mil millones
10 6 mega-vino MK Millón
10 3 kilokelvin kK Mil
10 2 hectokelvin hK Centenar
10 1 decakelvin daK Diez
10 0 Kelvin K A
10 −1 decikelvin dK Décimo
10 -2 centikelvin cK Centésimo
10 −3 millikelvin mK Milésimo
10 -6 microkelvin μK Millonésimo
10 -9 nanokelvin nK Billonésimo
10 -12 picokelvin paquete Billonésimo
10 -15 femtokelvin fK De billar
10 -18 attokelvin Alaska Billonésima
10 -21 zeptokelvin zK Trilliardth
10 -24 yoctokelvin yK Cuadrillonésimo

Otras escalas de temperatura

Se utilizan diferentes escalas para medir la temperatura  : escala Newton (establecida en 1700), Romer (1701), F (1724), Réaumur (1731) Delisle (1738) centígrados (de C ) (1742), Rankine (1859), Kelvin ( 1848), Leyden (¿hacia 1894), Celsius (1948).

Comparación de escalas de temperatura
Temperatura Kelvin Celsius centígrado (histórico) Fahrenheit original Fahrenheit histórico Fahrenheit moderno (actual) Rankine Delisle Newton Reaumur Rømer
Cero absoluto . 0 −273,15 −273,197 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90
Temperatura natural más baja registrada por teledetección en la superficie de la Tierra (no in situ ). 180,0 −93,2 −135,8 323,9 289,8 −30,8 −74,6 −41,4
Mezcla de agua / sal Fahrenheit . 0
Origen de la escala Celsius moderna. 273.15 0 32 491,67 150 0 0 7.5
Temperatura de fusión del agua (a presión estándar ). 273,150,089 (10) 0,000 089 (10) 0 32 32 32.000 160 (18) 491,670 160 (18) ≈ 150 ≈ 0 ≈ 0 ≈ 7.5
Temperatura del punto triple del agua . 273.1600 (1) 0.0100 (1) 32.0180 (18)
Temperatura promedio en la superficie terrestre. 288 15 59 518,67 127,5 4,95 12 15.375
Temperatura media del cuerpo humano. 309,95 36,8 98,24 557,91 94,8 12,144 29,44 26,82
La temperatura natural más alta registrada en la superficie de la Tierra. 329,8 56,7 134 593,67 67,5 18,7 45,3 33,94
Temperatura de vaporización del agua (a presión estándar ). 373,133 9 99,983 9 100 ≈ 212 212 211,971 671,641 0 33 80 60
Punto de fusión del titanio . 1,941 1,668 3 034 3 494 −2 352 550 1334 883
Temperatura estimada de la superficie solar . 5.800 5 526 9 980 10,440 −8 140 1.823 4.421 2.909
  1. Algunos números de esta tabla se han redondeado. Los valores en negrita son aquellos que, por definición de las distintas escalas, son exactos (es decir, que tienen un número infinito de dígitos significativos).
  2. “Kelvin” se escribe con una k minúscula porque es una unidad del Sistema Internacional , aunque lleva el nombre de Lord Kelvin . Sin embargo, el símbolo es una letra K mayúscula .
  3. Grabado por satélite en la Antártida el.
  4. Las escalas de temperatura modernas se definen por el punto triple del agua establecido en 0.01  ° C , el resultado es que la temperatura de fusión del agua medida con precisión es 0.000 089 (10) ° C.
  5. Grabado en Furnace Creek en los Estados Unidos el 10 de julio de 1913.

Notas y referencias

Notas

  1. Por otro lado, el símbolo del kelvin se escribe con mayúscula, según la norma SI relativa al símbolo de las unidades cuyo nombre proviene de un nombre propio de persona. La k minúscula también es la inicial del símbolo SI para múltiples unidades en "kilo-": km, kg,  etc.  ; en particular, el símbolo del kilokelvin es kK.
  2. Sin embargo, existen casos muy particulares en los que hablamos de temperaturas negativas en K, por ejemplo, para sistemas con una inversión de población . Sin embargo, esta temperatura negativa (T <0 K) no se corresponde con la noción habitual de frío y calor. Aquí, T es la derivada
  3. La escala larga utilizada aquí es la referencia en los países de habla francesa, en particular en Francia, en Canadá, así como en general en Europa (excepto en Gran Bretaña). La escala corta se utiliza principalmente en los Estados Unidos de América, Brasil, Gran Bretaña y otros países de habla inglesa excepto Canadá.

Referencias

  1. Unidad de temperatura termodinámica (kelvin) , Oficina Internacional de Pesos y Medidas .
  2. (in)La nucleación heterogénea del hielo son aerosoles atmosféricos: una revisión de los resultados de los experimentos de laboratorio  " en atmos-chem-phys.net (consultado el 8 de mayo de 2017).
  3. (en) Thomas Peter , Athanasios Tsias , Beiping Luo y Thomas Koop , La actividad del agua como determinante para la nucleación homogénea del hielo en soluciones acuosas  " , Nature , vol.  406, n o  6796,, p.  611-614 ( ISSN  1476-4687 , DOI  10.1038 / 35020537 , leído en línea , consultado el 6 de septiembre de 2019 ).
  4. CIPM PV 94, recomendación 2 CI-2005 , Oficina Internacional de Pesas y Medidas [PDF]
  5. (en) JR Laeter JK Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, HS Peiser, KJR Rosman, PDP y Taylor (2003), Atomic Weights of the Elements: Review 2000 (IUPAC Technical Report) , Pure and Applied Chemistry, Vol. 75, núm. 6, pág.  683–800
  6. Mathieu Grousson, Medidas: la gran inversión  " , en CNRS ,(consultado el 28 de septiembre de 2018 ) .
  7. Christophe Daussy, "  El SI recupera su temperatura  ", CNRS Le journal ,, p.  58-59 ( leer en línea [PDF] ).
  8. Proyecto de resolución A - 26 ª reunión de la CGPM (13-16 de noviembre de 2018)  " [PDF] en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas , 13-16 de de noviembre de 2018 (consultado el 14 de enero de 2019 )
  9. SI Brochure: The International System of Units, 9a edición ( leer en línea )
  10. NASA, NASA identifica el lugar más frío de la Tierra  " , Le Figaro,(consultado el 25 de abril de 2015 ) .
  11. Comisión de Climatología, Comunicado de prensa n. °  956  " , Organización Meteorológica Mundial ,(consultado el 26 de septiembre de 2012 ) .

Ver también

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