La definición de 1 kelvin

Para responder a esta pregunta, puede ayudar a tomar un ejemplo de un área más familiar de la física, y luego discutir la temperatura.

Durante mucho tiempo, el kilogramo (la unidad SI de masa) se definió como la masa de un determinado objeto mantenido en una bóveda en París. Entonces, el gramo se puede definir como una milésima parte de la masa de ese objeto, y así sucesivamente. Si pregunta ahora, ¿qué unidades se están utilizando para indicar la masa del objeto elegido? entonces no importa siempre que sean proporcionales a la escala de unidades que desee adoptar. Entonces, si alguien le dijera la masa del objeto especial en libras (por ejemplo, 2.2 libras), aún sabría que un gramo es una milésima parte de eso.

Con la temperatura ocurre de manera similar. Hay un cierto estado de agua, vapor de agua y hielo en equilibrio mutuo. Ese estado tiene una temperatura independiente de otros detalles como el volumen, siempre que las sustancias sean puras y no se trituran demasiado. Entonces ese estado tiene una cierta temperatura. Tiene una unidad de temperatura en » unidades de punto triple » (una escala de temperatura que acabo de inventar). Cuando decimos que el Kelvin es una cierta fracción de esa temperatura, estamos diciendo que un termómetro cuyas indicaciones son proporcionales a la temperatura absoluta debe calibrarse para registrar 273.16 cuando se ponga en equilibrio con agua en el punto triple, si lo deseamos. el termómetro para leer en kelvin. Por ejemplo, si el termómetro se basa en un gas ideal de volumen constante, entonces se debe hacer que el factor de conversión de la presión en el gas a la temperatura indicada sea un número que asegure que la temperatura indicada es 273,16 en el punto triple. Entonces sabrá que su termómetro de gas está dando lecturas en kelvin, y nunca necesitó conocer otras unidades. (Tenga en cuenta que un termómetro de este tipo es muy preciso en un amplio rango de temperatura, pero no se puede usar por debajo de temperaturas de unos pocos kelvin. Para llegar a la región de baja temperatura, necesitaría otros tipos de termómetro. En principio, todos pueden calibrarse para acordar dónde se superponen sus rangos.)

(Gracias a Pieter por un detalle que está señalado en los comentarios y ahora corregido en el texto, pero espero que el comentario permanezca).

Comentarios

• Eso debería ser 273.16, ya que el punto triple está en 0.01 C.
• @Pieter ¡Gracias! Tampoco estaba seguro de detalles como la composición química. Es útil tener esta precisión.

Esa era la definición anterior.

Desde mayo, el kelvin se define fijando el valor de la constante de Boltzmann: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?k

Esto es consistente con el punto triple de un tipo específico de agua ( VSMOW ) a 273.16 K.

También es históricamente consistente con la definición aún más antigua del tamaño del centígrado como 1/100 de la diferencia de temperatura entre el congelamiento y el hervor del agua.

Una escala diferente para la temperatura absoluta se basa en el tamaño de un grado en la escala Fahrenheit. Esta es la escala de Rankine donde $ 1 $ kelvin = $ 1.8 \ ^ \ circ $ R.

Editar: entonces tu libro estaba mal. El punto triple está en $ 273.16 $ K, que es $ 0.01 \ ^ \ circ {\ rm C} $ ( ya que el punto triple es un poco más alto que el punto de fusión del hielo a presión atmosférica).

Comentarios

• De acuerdo, ‘ es la definición anterior, pero la definición anterior es lo que le interesa a OP. Esta respuesta no ‘ t ayuda a aclarar OP ‘ de que las unidades utilizadas para medir la temperatura del punto triple son importantes.
• OP podría estar interesado en saber que su libro está un poco desactualizado. Y si hubiera escrito esto como comentario, alguien se habría quejado de que debería haberlo escrito como respuesta. Siempre esas quejas agotadoras en este sitio.
• Verifique mi respuesta aquí: hsm.stackexchange.com/questions/6794/…
• Una buena respuesta, pero sería aún mejor mencionar por qué tiene $ 273.16 $ en lugar del OP ‘ s $ 273.15 $ .
• @badjohn Buena sugerencia. Hecho.

Puede que no sea obvio a partir de la experiencia diaria con la temperatura, pero tiene un cero natural punto, independiente de cualquier elección de escala.

La temperatura está relacionada con el movimiento interno de las partículas que forman una sustancia; cuando cesa todo el movimiento interno, la temperatura es cero.

Puedes pensar en ello como la concentración de tinte en un tanque de agua. No hay ambigüedad sobre lo que significa cero: sin tinte significa concentración cero. En consecuencia, ¿qué quieres decir cuando dices » La concentración de tinte en este tanque es la mitad de la concentración en ese » no depende de las unidades que utilice para especificar las concentraciones.

La confusión puede surgir del hecho de que, a diferencia de la mayoría de las cantidades que tienen un cero natural punto (masa, energía cinética, etc.) las escalas de temperatura conocidas tienen un desplazamiento de modo que las temperaturas que se encuentran comúnmente aparecen como números más pequeños.

Entonces, la respuesta a su pregunta sobre qué escala se usa en la definición es: cualquiera que no imponga tal cambio.

El punto triple del agua existe exactamente a una presión-temperatura punto.

La medición de temperatura por la escala de gas, se realiza encontrando NRT = PV a dos presiones diferentes, y reduciéndola a 0, en el supuesto NRT = PV + kV² + …

Entonces 1 / 273.16 del punto triple dice que 1 kelvin es 1 / 273.16 del valor de PV implícito cuando N = 0.

Entonces, es un evento que ocurre naturalmente.

En los viejos tiempos, el grado se definía como 0 = algún punto frío, 1 = algún punto caliente y la escala se dividía en varios grados.

Rømer set 0 = congelación de agua con hielo salado, 1 = agua hirviendo, dividida en 60 grados,

Fahrenheit construyó un termómetro que hizo que los grados de Rømer fueran demasiado grandes, por lo que los corté en cuartos, y usé un frío más frío (básicamente la refigeración es a 0 ° F). Se corrigió la escala multipunto de Rømer, por lo que el agua pura se congela a 32 y hierve a 212.

La escala de grados centígrados es agua pura que se congela a 0 y hierve a 1, dividida en 100 grados.

grado de Réaumur es una expansión de 1000 unidades de alcohol en congelación, que sube 40 hasta que se evapora, pero 80 es la ebullición del agua.

Comentarios

• Para una precisión histórica, debe mencionarse que el Sr. Celsius nunca probó esa escala, tenía congelación a 100 y ebullición a 0.
• La escala anton fue la primera escala absoluta. Se trataba de dos tubos de mercurio, uno de los cuales estaba cerrado y su presión se fijó para leer 73 pulgadas de mercurio en el punto de ebullición del agua. Dado que la presión atmosférica era de 29 pulgadas, medida de París, la diferencia se debe a PV = NRT, donde se permite que la LHS caiga de 73 pulgadas a cualquier presión de la habitación menos 29 pulgadas.
• De todos de las escalas, ninguna satisface tanto el uso de fahrenheit / celcius (donde el frío normal al caliente va de 0 a 100) y una escala absoluta. En cambio, la mejor solución parece ser usar 1,5 veces kelvin (o gorem), lo que permite que el agua se congele a 410 y hierva a 560 (por lo que el rango 400-500 va de -6,67 C a + 46,67 C), y el 970 es la temperatura del agua más caliente puede ser. La báscula de gas para cocinar funciona a 600 + 20 GM.
• @ wendy.krieger Gracias … ¡Aprendí más de tu respuesta!
• No ‘ ¡No sé que R ø mer tenía una escala de temperatura!Estuve en varios lugares con su nombre .

Leí esta pregunta como una pregunta acerca de cómo determinamos realmente una escala completa teniendo solo dos puntos en ella. Lo cual está lejos de ser trivial.

Históricamente, la gente primero construía termómetros, por ejemplo, colocando un líquido en un volumen fijo con un tubo delgado adjunto. Luego calibraron esos termómetros obteniendo una lectura de agua hirviendo (100 ° C) y su punto de congelación (0 ° C). En el medio, simplemente adjuntaron una escala lineal. Y cualquier cosa que dijera esa escala era 50 ° C, eso se llamaba 50 ° C.

Esto funcionó sorprendentemente bien. Si tiene dos vasos de agua a diferentes temperaturas y los mezcla, obtiene una temperatura muy cercana a la media de la temperatura medida anteriormente. Esto en sí mismo es una coincidencia y depende de la capacidad calorífica casi constante de la sustancia. Sin embargo, si toma una sustancia que cambia su capacidad calorífica de manera significativa, su temperatura media experimental no será la media matemática.

Una definición más precisa de la temperatura solo se enseña en Mecánica estadística: aquí la temperatura se define como $$ T = \ frac {dE} {dS (E)} $$ , donde $ E $ es la energía del sistema y $ S (E) $ es la entropía del sistema. La constante de Boltzmann $ k_B $ , que es parte de la definición de la entropía, conecta el Joule con el Kelvin en esta ecuación. Como tal, esta definición sirve para definir la escala de Kelvin y, en consecuencia, todas las demás escalas de temperatura que tenemos en uso.