Die Definition von 1 Kelvin

Um diese Frage zu beantworten kann helfen, ein Beispiel aus einem bekannteren Bereich der Physik zu nehmen und dann die Temperatur zu diskutieren.

Lange Zeit wurde das Kilogramm (die SI-Masseneinheit) als die Masse eines bestimmten Objekts definiert, in dem es aufbewahrt wird ein Gewölbe in Paris. Dann kann das Gramm als ein Tausendstel der Masse dieses Objekts definiert werden und so weiter. Wenn Sie jetzt fragen, welche Einheiten werden verwendet, um die Masse des ausgewählten Objekts anzugeben? dann spielt es keine Rolle, solange sie proportional zur Skala der Einheiten sind, die Sie übernehmen möchten. Wenn Ihnen also jemand die Masse des speziellen Objekts in Pfund (z. B. 2,2 Pfund) mitteilen würde, würden Sie immer noch wissen, dass ein Gramm ein Tausendstel davon ist.

Mit der Temperatur geht es ähnlich. Es gibt einen bestimmten Zustand von Wasser, Wasserdampf und Eis im gegenseitigen Gleichgewicht. Dieser Zustand hat eine Temperatur, die von anderen Details wie dem Volumen unabhängig ist, solange die Substanzen rein sind und nicht zu klein zerkleinert werden. Dieser Zustand hat also eine bestimmte Temperatur. Es hat eine Temperatureinheit in “ Tripelpunkteinheiten “ (eine Temperaturskala, die ich gerade erfunden habe). Wenn wir sagen, dass der Kelvin ein bestimmter Bruchteil dieser Temperatur ist, sagen wir, dass ein Thermometer, dessen Anzeigen proportional zur absoluten Temperatur sind, so kalibriert werden muss, dass 273.16 registriert wird, wenn es am Tripelpunkt mit Wasser ins Gleichgewicht gebracht wird, wenn wir dies wünschen das Thermometer in Kelvin zu lesen. Wenn das Thermometer beispielsweise auf einem idealen Gas mit konstantem Volumen basiert, sollte der Umrechnungsfaktor vom Druck im Gas zur angegebenen Temperatur eine Zahl sein, die sicherstellt, dass die angegebene Temperatur am Tripelpunkt 273,16 beträgt. Sie wissen dann, dass Ihr Gasthermometer Messwerte in Kelvin anzeigt, und Sie mussten keine anderen Einheiten kennen. (Beachten Sie, dass ein solches Thermometer über einen weiten Temperaturbereich sehr genau ist, jedoch nicht unter Temperaturen von wenigen Kelvin verwendet werden kann. Um in den Niedertemperaturbereich zu gelangen, benötigen Sie andere Thermometertypen. Im Prinzip können alle kalibriert werden um zu vereinbaren, wo sich ihre Bereiche überschneiden.)

(Vielen Dank an Pieter für ein Detail, das in den Kommentaren signalisiert und jetzt im Text korrigiert wird, aber ich hoffe, der Kommentar bleibt.)

Kommentare

• Das sollte 273,16 sein, da der Tripelpunkt bei 0,01 ° C liegt.
• @Pieter Danke! Auch bei Details wie der chemischen Zusammensetzung war ich mir nicht sicher. Es ist nützlich, diese Genauigkeit zu haben.

Das war die alte Definition.

Seit Mai wird der Kelvin durch Festlegen des Werts der Boltzmann-Konstante definiert: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?k

Dies stimmt mit dem Tripelpunkt einer bestimmten Art von Wasser ( VSMOW ) bei 273,16 K überein.

Es ist auch historisch im Einklang mit der noch älteren Definition der Größe des Celsius als 1/100 der Temperaturdifferenz zwischen Gefrieren und Kochen von Wasser.

Eine andere Skala für die absolute Temperatur basiert auf der Größe eines Grades auf der Fahrenheit-Skala. Dies ist die Rankine-Skala, in der $ 1 $ kelvin = $ 1,8 \ ^ \ circ $ R.

Bearbeiten: Ihr Buch war also falsch. Der Tripelpunkt liegt bei $ 273.16 $ K, was $ 0.01 \ ^ \ circ {\ rm C} $ ( da der Tripelpunkt etwas höher ist als der Schmelzpunkt von Eis bei atmosphärischem Druck).

Kommentare

• OK, dass ‚ ist die alte Definition, aber die alte Definition ist das, woran OP interessiert ist. Diese Antwort hilft ‚ nicht bei der Klärung von OP ‚ divs Missverständnis, dass die Einheiten zur Messung der Temperatur der Tripelpunkt-Materie verwendet wurden.
• OP könnte interessiert sein zu wissen, dass sein Buch etwas veraltet ist. Und wenn ich dies als Kommentar geschrieben hätte, hätte sich jemand beschwert, dass ich es als Antwort hätte schreiben sollen. Immer diese anstrengenden Beschwerden auf dieser Website.
• Überprüfen Sie meine Antwort hier: hsm.stackexchange.com/questions/6794/…
• Eine nette Antwort, aber es wäre noch besser zu erwähnen, warum Sie 273,16 $ haben, anstatt die 273,15 $ des OP ‚ .
• @badjohn Guter Vorschlag. Fertig.

Aus alltäglichen Erfahrungen mit der Temperatur ist dies möglicherweise nicht ersichtlich, aber es gibt eine natürliche Null Punkt, unabhängig von der Wahl der Skala.

Die Temperatur hängt mit der inneren Bewegung der Partikel zusammen, aus denen eine Substanz besteht. Wenn die gesamte innere Bewegung aufhört, ist die Temperatur Null.

Sie können sich das wie die Konzentration von Farbstoff in einem Wassertank vorstellen. Es gibt keine Unklarheit darüber, was Null bedeutet: Kein Farbstoff bedeutet Nullkonzentration. Dementsprechend ist das, was Sie meinen, wenn Sie “ sagen. Die Farbstoffkonzentration in diesem Tank ist die Hälfte der Konzentration in diesem “ hängt nicht von den Einheiten ab, mit denen Sie die Konzentrationen angeben.

Die Verwirrung kann sich aus der Tatsache ergeben, dass im Gegensatz zu den meisten Mengen, die eine natürliche Null haben Punkt (Masse, kinetische Energie usw.) bekannte Temperaturskalen haben einen Versatz, sodass häufig auftretende Temperaturen als kleine Zahlen ausgegeben werden.

Die Antwort auf Ihre Frage, welche Skala in der Definition verwendet wird, lautet also: Jeder, der keine solche Verschiebung auferlegt.

Der Tripelpunkt von Wasser existiert bei genau einer Druck-Temperatur Punkt.

Die Messung der Temperatur anhand der Gasskala erfolgt, indem NRT = PV bei zwei verschiedenen Drücken ermittelt und unter der Annahme NRT = PV + kV² + …

Also 1 / 273.16 des Tripelpunkts sagt dann, dass 1 Kelvin 1 / 273.16 des implizierten PV-Werts ist, wenn N = 0.

Es ist also ein natürlich vorkommendes Ereignis.

In früheren Tagen wurde der Grad als 0 = ein kalter Punkt, 1 = ein heißer Punkt definiert und die Skala in mehrere Grad unterteilt.

Rømer-Set 0 = Gefrieren von Salzeiswasser, 1 = kochendes Wasser, aufgeteilt in 60 Grad,

Fahrenheit baute ein Thermometer, das Rømers Grad zu groß machte, also er geviertelt und verwendet eine kältere Erkältung (im Grunde ist die Kühlung bei 0 ° F). Rømers Mehrpunktskala wurde korrigiert, so dass reines Wasser bei 32 gefriert und bei 212 siedet.

Celcius-Skala ist reines Wasser gefriert bei 0 und kocht bei 1, geteilt auf 100 Grad.

Réaumurs Grad ist eine Ausdehnung von 1000 Einheiten Alkohol beim Gefrieren, die bis zur Verdunstung um 40 steigt, während 80 das Kochen von Wasser ist.

Kommentare

• Aus historischen Gründen sollte erwähnt werden, dass Herr Celsius diese Skala nie ausprobiert hat, er hatte ein Gefrieren bei 100 und ein Kochen bei 0.

ie Antonskala war die erste absolute Skala. Es handelte sich um zwei Quecksilberröhrchen, von denen eines geschlossen war und deren Druck auf 73 Zoll Quecksilber am Siedepunkt von Wasser eingestellt war. Angesichts des atmosphärischen Drucks von 29 Zoll (Pariser Maß) ist der Unterschied auf PV = NRT zurückzuführen, bei dem die LHS von 73 Zoll auf einen Raumdruck von weniger als 29 Zoll fallen darf.

• Von allen Von den Skalen erfüllt keine sowohl die Verwendung von Fahrenheit / Celcius (wo normal kalt bis heiß von etwa 0 bis 100 laufen) als auch eine absolute Skala. Stattdessen scheint die beste Lösung darin zu bestehen, das 1,5-fache Kelvin (oder Gorem) zu verwenden, wodurch Wasser bei 410 gefrieren und bei 560 kochen kann (der Bereich 400-500 liegt also zwischen -6,67 ° C und + 46,67 ° C), und der 970 ist Die Temperatur des heißesten Wassers kann sein. Die Gaswaage zum Kochen läuft bei 600 + 20 GM.
• @ wendy.krieger Danke. Ich habe am meisten aus Ihrer Antwort gelernt!
• Ich habe nicht ‚ weiß nicht, dass R ø mer eine Temperaturskala hatte!Ich war an mehreren Orten mit seinem Namen darin .

Ich habe diese Frage gelesen und gefragt, wie wir tatsächlich eine vollständige Skala bestimmen, indem wir nur zwei einzelne Punkte darauf haben. Das ist alles andere als trivial.

Historisch gesehen bauten die Menschen zuerst Thermometer, indem sie beispielsweise eine Flüssigkeit mit einem dünnen Rohr in ein festes Volumen gaben. Dann kalibrierten sie diese Thermometer, indem sie einen Messwert für kochendes Wasser (100 ° C) und dessen Gefrierpunkt (0 ° C) erhielten. Dazwischen haben sie einfach eine lineare Skala angebracht. Und was auch immer diese Skala sagte, war 50 ° C, das wurde 50 ° C genannt.

Dies funktionierte überraschend gut. Wenn Sie zwei Gläser Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen haben und diese miteinander mischen, erhalten Sie eine Temperatur, die sehr nahe am oben gemessenen Mittelwert der Temperatur liegt. Dies ist an sich ein Zufall und hängt von der nahezu konstanten Wärmekapazität des Stoffes ab. Wenn Sie jedoch eine Substanz nehmen, deren Wärmekapazität erheblich ändert, ist Ihre experimentelle Durchschnittstemperatur nicht das mathematische Mittel.

Eine genauere Definition der Temperatur wird nur in gelehrt statistische Mechanik: Hier wird die Temperatur definiert als $$ T = \ frac {dE} {dS (E)} $$ , wobei $ E $ ist die Energie des Systems und $ S (E) $ ist die Entropie des Systems. Die Boltzmann-Konstante $ k_B $ , die Teil der Definition der Entropie ist, verbindet das Joule in dieser Gleichung mit dem Kelvin. Als solche dient diese Definition dazu, die Skala des Kelvin und folglich alle anderen Temperaturskalen, die wir verwenden, zu definieren.