Кельвин как единица температуры¶

Кельвин — единица измерения термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц этой системы. Обозначается символом К (без знака градуса). Кельвин определяется через фиксацию численного значения постоянной Больцмана и представляет собой температуру, при которой тепловое движение частиц минимально, а точнее — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Шкала Кельвина начинается от абсолютного нуля — теоретического предела, ниже которого температура принципиально недостижима.

¶Определение и современный статус

До 2019 года кельвин определялся как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. С 20 мая 2019 года, после реформы СИ, определение изменилось: кельвин выражается через постоянную Больцмана, значение которой зафиксировано равным 1,380 649·10⁻²³ Дж/К. Это сделало единицу независимой от свойств конкретного вещества и повысило точность измерений в широком диапазоне температур.

Абсолютный нуль шкалы Кельвина соответствует −273,15 °C. Соотношение между шкалами Цельсия и Кельвина линейно: T(К) = t(°C) + 273,15. Один кельвин по величине равен одному градусу Цельсия, поэтому разность температур в обеих шкалах совпадает.

¶История

Понятие абсолютной температуры впервые сформулировал в середине XIX века. Уильям Томсон, получивший титул лорда Кельвина, в 1848 году предложил шкалу, не зависящую от свойств термометрического вещества. Он опирался на работы Сади Карно о теплоте и второй закон термодинамики. Идея состояла в том, что существует нижний предел температуры, при котором невозможно дальнейшее охлаждение.

В 1954 году X Генеральная конференция по мерам и весам приняла кельвин в качестве основной единицы температуры, определив его через тройную точку воды. В 1967 году было уточнено название единицы и её обозначение: вместо «градус Кельвина» (°K) введено просто «кельвин» (К). В России применение кельвина как основной единицы температуры закреплено государственными стандартами и допускается наряду с градусом Цельсия.

¶Применение

Кельвин используется прежде всего в научных и технических областях, где важна абсолютная шкала:

• Физика и астрофизика — температуры звёзд, межзвёздной среды, реликтового излучения (около 2,7 К).
• Криогеника — описание сверхнизких температур, работы с жидким гелием (4,2 К) и сверхпроводимостью.
• Химия и термодинамика — расчёты по уравнениям состояния, где температура подставляется именно в кельвинах.
• Метрология — эталоны температуры и передача единицы рабочим средствам измерений.
• Инженерия — расчёт тепловых машин, двигателей, систем охлаждения.

В повседневной жизни и в бытовых приборах в России чаще применяется градус Цельсия, тогда как кельвин остаётся преимущественно научной единицей.

¶Кратные и дольные единицы

Как и другие единицы СИ, кельвин допускает использование десятичных приставок. На практике применяются в основном дольные единицы для низких температур:

Милли- и микрокельвиновые диапазоны используются в физике низких температур, где достигнуты рекордно малые значения — порядка нескольких нанокельвинов в экспериментах с охлаждением атомных газов.

¶Температурные ориентиры

Для наглядности полезно сопоставить характерные значения:

• абсолютный нуль — 0 К (−273,15 °C);
• температура реликтового излучения — около 2,7 К;
• точка кипения жидкого гелия при нормальном давлении — 4,2 К;
• точка замерзания воды — 273,15 К (0 °C);
• нормальная температура тела человека — около 310 К (37 °C);
• поверхность Солнца — около 5800 К;
• ядро Солнца — порядка 15 млн К.

¶Связь с другими шкалами

Помимо Цельсия, кельвин соотносится с шкалой Фаренгейта и шкалой Ранкина. Перевод из Фаренгейта в кельвины выполняется по формуле T(К) = (t(°F) + 459,67)·5/9. Шкала Ранкина, используемая в некоторых англоязычных инженерных расчётах, также начинается от абсолютного нуля, но её градус равен градусу Фаренгейта.

¶Метрологическое обеспечение в России

В России воспроизведение и хранение единицы температуры обеспечивают государственные эталоны, находящиеся в ведении метрологических институтов. Первичный эталон кельвина реализуется через термометрию тройных точек и акустическую газовую термометрию. На основе эталона строится поверочная схема, по которой единица передаётся рабочим термометрам — от лабораторных до промышленных. Это обеспечивает единство измерений температуры в науке, промышленности и медицине.

¶Интересные факты

• Обозначение кельвина пишется без знака градуса: правильно «300 К», а не «300 °К».
• Название единицы происходит от титула британского физика Уильяма Томсона — лорда Кельвина, хотя сам учёный предлагал называть единицу иначе.
• Самая низкая температура, полученная в лаборатории, составляет порядка десятков пикокельвинов, что лишь на миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля.
• Температура космического микроволнового фона — одно из самых точных измеряемых значений в астрофизике и выражается именно в кельвинах.

Источники: материалы Международного бюро мер и весов, документы Генеральной конференции по мерам и весам, государственные стандарты Российской Федерации в области метрологии, учебные издания по общей физике и термодинамике.