Kelvin
| kelvin ⓘ | |
|---|---|
 Celsius ve kelvin cinsinden işaretleri olan termometre | |
| Genel bilgiler | |
| Birim sistemi | Uluslararası birimler sistemi (SI) |
| Birimi | Sıcaklık |
| Sembol | K |
| Adını | William Thomson, 1. Baron Kelvin |
| Dönüşümler | |
| x K ... içinde | ... eşittir ... |
| SI birimleri | x - 273,15 °C |
| İmparatorluk/ABD birimleri | 1.8 ( x - 273.15) + 32 °F |
| İmparatorluk/ABD mutlak ölçeği | 1,8 x °Ra |
Kelvin, sembolü K, Belfast doğumlu ve Glasgow Üniversitesi'nde çalışan mühendis ve fizikçi William Thomson, 1. Baron Kelvin'in (1824-1907) adını taşıyan SI temel sıcaklık birimidir. Kelvin ölçeği mutlak termodinamik bir sıcaklık ölçeğidir, yani sıfır noktası olarak mutlak sıfırı kullanır. ⓘ
Kelvin ölçeği, çok daha eski olan Celsius ölçeğinin başlangıç noktasının suyun erime noktasından mutlak sıfıra kaydırılmasıyla geliştirilmiştir ve artışları hala bir Celsius derecesinin tarihi tanımına yakındır, ancak 2019'dan beri ölçek Boltzmann sabiti k 1.380649×10-23 J⋅K-1 olarak sabitlenerek tanımlanmaktadır. Dolayısıyla bir kelvin, termodinamik sıcaklık T'de 1,380649×10-23 J kadar kT termal enerji değişikliğine neden olan bir değişikliğe eşittir. 15 olarak tanımlanmaktadır, yani sıcaklıktaki bir değişim veya fark kelvin cinsinden ifade edildiğinde Celsius cinsinden ifade edilenle tamamen aynı değere sahiptir, mutlak sıfır tam olarak 0 K ve -273,15 °C'dir ve saf su standart atmosfer basıncında 273,15 K'ye çok yakın donar ve 373,15 K'ye yakın kaynar. ⓘ
Kelvin, mühendislik ve fizik bilimleri için birincil sıcaklık birimi iken, çoğu ülkede Celsius bu alanlar dışında baskın ölçek olmaya devam etmektedir ve Amerika Birleşik Devletleri'nde Fahrenheit ölçeği (artık kelvin kullanılarak da tanımlanmaktadır) hala yaygındır. ⓘ
Fahrenheit ve Celsius derecelerinin aksine, kelvin 18. yüzyılın başlarından ortalarına kadar değil 19. yüzyılın ortalarına kadar uzanır ve asla bir derece olarak anılmaz veya yazılmaz ve K ile kısaltılmadığı sürece tipik olarak büyük harfle yazılmaz, örneğin "Dışarısı 50 derece Fahrenheit" vs "Dışarısı 10 derece Celsius" vs "Dışarısı 283 kelvin". ⓘ
Kelvin, Uluslararası Birim Sistemi'ne göre temel sıcaklık ölçüsü birimi. Sembolü Kdir. İsmini, termodinamikteki mutlak sıfır kavramını ilk defa gazlardan tüm maddelere uygulayan İskoç asıllı bilim insanı Lord Kelvin'den alır. ⓘ
Santigrat derecesi sıfır noktasını suyun donma noktası olarak aldığından, 0 °C 273,15 K'e eşit olur. Benzer şekilde santigrat derece olarak ifade edilen herhangi bir sıcaklığı kelvine çevirmek için söz konusu değere 273,15 eklenir. Mesela 22 °C = 22 + 273,15 = 295,15 K. ⓘ
Kelvin sıcaklık birimi, 1967'deki 13. Ağırlık ve Ölçüler Genel Konferansı'ndan beri "derece" sözcüğü kullanılmadan tanımlanmakta ve dolayısıyla derece işareti (°) olmadan yazılmaktadır. ⓘ
10−12 düzeyinde, 1 kelvinin trilyonda biri kadar olan sıcaklığa ise pikokelvin denir. ⓘ
Tarih
Öncüller
18. yüzyıl boyunca, başta Fahrenheit ve santigrat (daha sonra Celsius) olmak üzere çok sayıda sıcaklık ölçeği geliştirildi. Bu ölçekler, mutlak sıfır kavramının temelini oluşturan atom teorisi ve gazların kinetik teorisi lehindeki bilimsel fikir birliği de dahil olmak üzere modern termodinamik biliminin çoğundan önceydi. Bunun yerine, o zamanki insan deneyimi aralığında kolaylıkla ve makul ölçüde doğru bir şekilde yeniden üretilebilen, ancak termal fizikte herhangi bir derin öneme sahip olmayan tanımlayıcı noktaları seçtiler. Celsius ölçeği (ve çoktan feshedilmiş olan Newton ölçeği ve Réaumur ölçeği) söz konusu olduğunda, suyun erime noktası böyle yarı keyfi bir başlangıç noktası olarak hizmet etmiş, Celsius 1740'lardan 1940'lara kadar bir termometreyi şu şekilde kalibre ederek tanımlanmıştır:
- Suyun erime noktası 0 derecedir.
- Suyun kaynama noktası 100 derecedir. ⓘ
Bu, deniz seviyesindeki doğal hava basıncına yaklaşmak üzere tasarlanmış belirli bir basınçtaki saf suya atıfta bulunmaktadır. Bunun bir anlamı da 1 °C'lik bir artışın, erime ve kaynama noktaları arasındaki sıcaklık farkının 1/100'lük bir artışına eşit olduğuydu. Bu sıcaklık aralığı daha sonra kelvin için şablon haline gelecekti. ⓘ
Lord Kelvin
1848 yılında, daha sonra Lord Kelvin unvanını alacak olan William Thomson, Mutlak Termometrik Ölçek Üzerine adlı bir makale yayınladı. Kısa bir süre sonra geçerliliğini yitirecek olan kalori teorisini kullanarak, aşağıdaki parametrelere dayanan bir "mutlak" ölçek önerdi:
- Suyun erime noktası 0 derecedir.
- Suyun kaynama noktası 100 derecedir. ⓘ
"İki ölçek üzerinde çakışan keyfi noktalar 0° ve 100°'dir." ⓘ
- Isı kaynağı ve ısı alıcısı aynı sayıda derece ile ayrılmış olan herhangi iki ısı motoru, Carnot'nun teoremine göre, geçen "kalori" birimi başına aynı miktarda mekanik iş üretebilecektir. ⓘ
"Şimdi önerdiğim ölçeğin karakteristik özelliği, tüm derecelerin aynı değere sahip olmasıdır; yani, bu ölçeğin T° sıcaklığındaki bir A cisminden (T - 1)° sıcaklığındaki bir B cismine inen bir ısı birimi, T sayısı ne olursa olsun aynı mekanik etkiyi verecektir." Bu, haklı olarak mutlak ölçek olarak adlandırılabilir, çünkü özelliği herhangi bir özel maddenin fiziksel özelliklerinden tamamen bağımsızdır. ⓘ
Carnot teoreminin modern termodinamikte basitçe termal enerjinin mekanik enerjiye dönüştürülebileceği maksimum verimi tanımladığı ve öngörülen maksimum verimin ısı kaynağı ile ısı alıcının mutlak sıcaklıkları arasındaki oranın bir fonksiyonu olduğu anlaşılmaktadır:
- Verimlilik ≤ 1 - ısı alıcının mutlak sıcaklığı/ısı kaynağının mutlak sıcaklığı ⓘ
Bu ölçeğe göre eĢit sayıdaki derece artıĢları mutlak sıcaklıkta her zaman eĢit orantılı artıĢları temsil etmelidir. Bir mutlak sıcaklığın, T, 1848 ölçeğindeki sayısal değeri, suyun erime noktasının mutlak sıcaklığı, Tmpw, ve suyun kaynama noktasının mutlak sıcaklığı, Tbpw, ile ilişkilidir:
- T (1848 ölçeği) = 100 (ln T/Tmpw) / (ln Tbpw/Tmpw) ⓘ
Bu ölçekte 222 derecelik bir artış, başlangıç sıcaklığı ne olursa olsun mutlak sıcaklığın her zaman yaklaşık iki katına çıkması anlamına gelir. ⓘ
Thomson bir dipnotta "sonsuz soğuğun" (bu ölçekte negatif sonsuzluk sayısal değerine sahip olan mutlak sıfır) o zamanki hava termometreleri kullanılarak -273 °C'ye eşdeğer olduğunu hesaplamıştır. Bu "-273" değeri, ideal bir gazın buz noktasına göre santigrat derece başına kabul edilen termal genleşme katsayısı olan 0,00366'nın negatif karşılığıydı ve şu anda kabul edilen değerle dikkate değer bir tutarlılık sağlıyordu. ⓘ
On yıl içinde Thomson kalori teorisini terk etmiş ve 1848 ölçeğini, kelvin ölçeğinin gelecekteki tüm versiyonlarını karakterize edecek 2 özelliğe dayanan yeni bir ölçekle değiştirmiştir:
- Mutlak sıfır sıfır noktasıdır.
- Artışlar Celsius ölçeğinde olduğu gibi aynı büyüklüğe sahiptir. ⓘ
1892 yılında Thomson'a 1. Baron Kelvin of Largs ya da daha kısa bir ifadeyle Lord Kelvin soylu unvanı verildi. Bu isim Glasgow Üniversitesi'nin arazisinden geçen Kelvin Nehri'ne bir göndermeydi. ⓘ
Kelvin ölçeği 20. yüzyılın ilk on yıllarında genellikle "mutlak Celsius" ölçeği olarak adlandırılmış, suyun donma noktası yerine mutlak sıfırdan sayılan Celsius derecelerini göstermiş ve normal Celsius dereceleri için aynı sembolü, °C, kullanmıştır. ⓘ
Üçlü nokta standardı
1873 yılında William Thomson'ın ağabeyi James, bir maddenin katı, sıvı ve gaz fazlarının termodinamik dengede bir arada bulunabildiği sıcaklık ve basınç kombinasyonunu tanımlamak için üçlü nokta terimini icat etti. Herhangi iki faz bir dizi sıcaklık-basınç kombinasyonu boyunca bir arada bulunabilirken (örneğin suyun kaynama noktası, basıncın yükseltilmesi veya düşürülmesiyle oldukça dramatik bir şekilde etkilenebilir), belirli bir madde için üçlü nokta koşulu yalnızca 1 basınçta ve yalnızca 1 sıcaklıkta meydana gelebilir. 1940'lara gelindiğinde, suyun üçlü noktası deneysel olarak standart atmosfer basıncının yaklaşık %0,6'sı olarak ölçülmüş ve o zamanlar kullanılmakta olan Celsius'un tarihsel tanımına göre 0,01 °C'ye çok yakın olmuştur. ⓘ
1948'de Celsius ölçeği, suyun üçlü nokta sıcaklığına tam olarak 0,01 °C değeri atanarak ve standart atmosfer basıncında erime noktasının 0 °C'ye yakın deneysel olarak belirlenmiş bir değere (ve ortam basıncında gerçek erime noktasının dalgalı bir değere) sahip olmasına izin verilerek yeniden kalibre edildi. Bu, üçlü noktanın erime noktasından daha doğru bir şekilde tekrarlanabilir bir referans sıcaklığı verdiğine karar verildiği gerekçesiyle gerekçelendirildi. ⓘ
1954 yılında, mutlak sıfırın o zamanlar kullanılan °C tanımına göre yaklaşık -273.15 °C olduğu deneysel olarak belirlendikten sonra, 10. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nın (CGPM) 3. Kararı, üçlü noktayı tam olarak tanımlayan yeni bir uluslararası standartlaştırılmış Kelvin ölçeği getirmiştir: 273.15 + 0.01 = 273.16 "derece Kelvin" ⓘ
1967/1968'de, 13. CGPM'nin 3. Kararı termodinamik sıcaklık birim artışını "Kelvin", sembol K olarak yeniden adlandırmış ve "Kelvin derecesi", sembol °K'nın yerini almıştır. 13. CGPM ayrıca Karar 4'te "Termodinamik sıcaklık birimi olan kelvin, suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının 1/273.16 kesrine eşittir" ifadesini kullanmıştır. ⓘ
1983 yılında metrenin yeniden tanımlanmasından sonra kelvin, saniye ve kilogram, başka bir birime referansla tanımlanmayan tek SI birimleri olarak kaldı. ⓘ
2005 yılında, üçlü noktanın bir su örneğini oluşturan hidrojen ve oksijenin izotopik oranından etkilenebileceğini ve bunun "artık suyun üçlü noktasının farklı gerçekleşmeleri arasında gözlemlenen değişkenliğin ana kaynaklarından biri" olduğunu belirterek, CGPM'nin bir komitesi olan Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi (CIPM), suyun üçlü noktasının sıcaklığını tanımlamak amacıyla kelvin tanımının Viyana Standart Ortalama Okyanus Suyu için belirtilen izotopik bileşime sahip suyu ifade edeceğini onayladı. ⓘ
2019 yeniden tanımlama
2005 yılında CIPM, deneysel olarak daha titiz bir yöntem kullanarak kelvini (diğer SI birimleriyle birlikte) yeniden tanımlamak için bir program başlatmıştır. Komite özellikle kelvinin Boltzmann sabitinin tam değeri olan 1.3806505×10-23 J/K değerini alacak şekilde yeniden tanımlanmasını önermiştir. Komite, programın 2011 toplantısında CGPM tarafından kabul edilmesi için zamanında tamamlanacağını umuyordu, ancak 2011 toplantısında karar, daha büyük bir programın parçası olarak değerlendirileceği 2014 toplantısına ertelendi. ⓘ
Yeniden tanımlama, Boltzmann sabitinin mevcut tanım açısından daha doğru ölçümlerini beklemek üzere 2014 yılında daha da ertelenmiştir, ancak nihayet 2018'in sonlarında 26. CGPM'de k = 1.380649×10-23 J⋅K-1 değeri ile kabul edilmiştir. ⓘ
Bilimsel amaçlar için ana avantajı, kullanılan teknikler Boltzmann sabitine bağlı olduğundan, bunun çok düşük ve çok yüksek sıcaklıklarda ölçümlerin daha doğru yapılmasına izin vermesidir. Ayrıca herhangi bir maddeden bağımsız olması gibi felsefi bir avantajı da vardır. J/K birimi kg⋅m2⋅s-2⋅K-1'e eşittir; burada kilogram, metre ve saniye sırasıyla Planck sabiti, ışık hızı ve sezyum-133 temel hal hiper ince geçiş süresi cinsinden tanımlanır. Dolayısıyla bu tanım, daha önce uygulandığı gibi herhangi bir fiziksel artefakta değil, yalnızca evrensel sabitlere bağlıdır. Buradaki zorluk, üçlü noktaya yakın ölçümlerin doğruluğunu bozmaktan kaçınmaktı. Pratik amaçlar için, yeniden tanımlama fark edilmedi; su hala 273.15 K'de (0 °C) donuyor ve suyun üçlü noktası yaygın olarak kullanılan bir laboratuvar referans sıcaklığı olmaya devam ediyor. ⓘ
Aradaki fark, yeniden tanımlamadan önce suyun üçlü noktasının kesin olması ve Boltzmann sabitinin ölçülen değerinin 1.38064903(51)×10-23 J/K ve göreceli standart belirsizliğinin 3.7×10-7 olmasıdır. Daha sonra, Boltzmann sabiti kesindir ve belirsizlik artık 273.1600(1) K olan suyun üçlü noktasına aktarılmıştır. ⓘ
Yeni tanım, Metre Sözleşmesinin 144. yıldönümü olan 20 Mayıs 2019 tarihinde resmen yürürlüğe girmiştir. ⓘ
Pratik kullanımlar
| kelvins'ten | kelvinlere | |
|---|---|---|
| Celsius | [°C] = [K] - 273.15 | [K] = [°C] + 273.15 |
| Fahrenheit | [°F] = [K] × 9⁄5 - 459,67 | [K] = ([°F] + 459,67) × 5⁄9 |
| Rankine | [°R] = [K] × 9⁄5 | [K] = [°R] × 5⁄9 |
| Belirli sıcaklıklar yerine sıcaklık aralıkları için, 1 K = 1 °C = 9⁄5 °F = 9⁄5 °R Çeşitli sıcaklık ölçekleri arasında karşılaştırmalar | ||
Renk sıcaklığı
Kelvin genellikle ışık kaynaklarının renk sıcaklığının bir ölçüsü olarak kullanılır. Renk sıcaklığı, siyah bir cisim radyatörünün kendi sıcaklığına özgü bir frekans dağılımıyla ışık yayması ilkesine dayanır. Yaklaşık 4000 K'nin altındaki sıcaklıklardaki siyah cisimler kırmızımsı görünürken, yaklaşık 7500 K'nin üzerindekiler mavimsi görünür. Renk sıcaklığı, "gün ışığı" film emülsiyonlarına uymak için yaklaşık 5600 K renk sıcaklığının gerekli olduğu görüntü projeksiyonu ve fotoğrafçılık alanlarında önemlidir. Astronomide, yıldızların yıldız sınıflandırması ve Hertzsprung-Russell diyagramındaki yerleri, kısmen, etkin sıcaklık olarak bilinen yüzey sıcaklıklarına dayanır. Örneğin Güneş'in fotosferinin etkin sıcaklığı 5778 K'dir. ⓘ
Dijital kameralar ve fotoğraf yazılımları, düzenleme ve ayar menülerinde genellikle K cinsinden renk sıcaklığını kullanır. Basit kılavuz, daha yüksek renk sıcaklığının gelişmiş beyaz ve mavi tonlara sahip bir görüntü üretmesidir. Renk sıcaklığındaki azalma, kırmızımsı, "daha sıcak" renklerin daha baskın olduğu bir görüntü üretir. ⓘ
Gürültü sıcaklığı birimi olarak Kelvin
Elektronikte kelvin, bir devrenin nihai gürültü tabanına, yani gürültü sıcaklığına göre ne kadar gürültülü olduğunun bir göstergesi olarak kullanılır. Ayrık dirençlerin ve kapasitörlerin Johnson-Nyquist gürültüsü olarak adlandırılan gürültüsü, Boltzmann sabitinden türetilen bir termal gürültü türüdür ve gürültü için Friis formülleri kullanılarak bir devrenin gürültü sıcaklığını belirlemek için kullanılabilir. ⓘ
SI önekleri
Diğer SI birimlerinde olduğu gibi, kelvin de kendisini 10'un kuvveti ile çarpan bir metrik önek eklenerek değiştirilebilir:
| Kelvin'in (K) +SI katları ⓘ | ||||||
| Submultiples | Multiples | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Değer | SI sembolü | İsim | Değer | SI sembolü | İsim | |
| 10-1 K | dK | decikelvin | 101 K | daK | decakelvin | |
| 10-2 K | cK | centikelvin | 102 K | hK | hectokelvin | |
| 10-3 K | mK | millikelvin | 103 K | kK | kilokelvin | |
| 10-6 K | µK | mikrokelvin | 106 K | MK | megakelvin | |
| 10-9 K | nK | nanokelvin | 109 K | GK | gigakelvin | |
| 10-12 K | pK | picokelvin | 1012 K | TK | terakelvin | |
| 10-15 K | fK | femtokelvin | 1015 K | PK | petakelvin | |
| 10-18 K | aK | attokelvin | 1018 K | EK | exakelvin | |
| 10-21 K | zK | zeptokelvin | 1021 K | ZK | zettakelvin | |
| 10-24 K | yK | yoctokelvin | 1024 K | YK | yottakelvin | |
Unicode karakteri
Sembol Unicode'da U+212A K KELVIN SIGN kod noktasında kodlanmıştır. Ancak bu, eski kodlamalarla uyumluluk için sağlanan bir uyumluluk karakteridir. Unicode standardı bunun yerine U+004B K LATIN CAPITAL LETTER K kullanılmasını önerir; yani normal bir büyük K. "Üç harf benzeri sembole normal harflere kanonik eşdeğerlik verilmiştir: U+2126 Ω OHM İŞARETİ, U+212A K KELVİN İŞARETİ ve U+212B Å ANGSTROM İŞARETİ. Her üç durumda da normal harf kullanılmalıdır." ⓘ