A definição de 1 kelvin

Para responder a esta pergunta, pode ajudar a tomar um exemplo de uma área mais familiar da física e, em seguida, discutir a temperatura.

Por muito tempo, o quilograma (a unidade de massa do SI) foi definido como a massa de um determinado objeto mantido em um cofre em Paris. Então, o grama pode ser definido como um milésimo da massa daquele objeto e assim por diante. Se você perguntar agora, quais unidades estão sendo usadas para indicar a massa do objeto escolhido? então, não importa, desde que sejam proporcionais à escala de unidades que você deseja adotar. Portanto, se alguém lhe dissesse a massa do objeto especial em libras (por exemplo, 2,2 libras), você ainda saberia que um grama é um milésimo disso.

Com a temperatura, ocorre o mesmo. Existe um certo estado de água, vapor dágua e gelo, todos em equilíbrio mútuo. Esse estado tem uma temperatura independente de outros detalhes como o volume, desde que as substâncias sejam puras e não sejam esmagadas muito pequenas. Então esse estado tem uma certa temperatura. Ele tem uma unidade de temperatura em ” unidades de ponto triplo ” (uma escala de temperatura que acabei de inventar). Quando dizemos que o Kelvin é uma certa fração dessa temperatura, estamos dizendo que um termômetro cujas indicações são proporcionais à temperatura absoluta deve ser calibrado de modo a registrar 273,16 quando é colocado em equilíbrio com água no ponto triplo, se desejarmos o termômetro para ler em Kelvin. Por exemplo, se o termômetro é baseado em um gás ideal de volume constante, então deve-se fazer o fator de conversão da pressão no gás para a temperatura indicada ser um número que garanta que a temperatura indicada seja 273,16 no ponto triplo. Você saberá então que seu termômetro de gás está dando leituras em Kelvin, e você nunca precisou conhecer nenhuma outra unidade. (Observe que esse termômetro é muito preciso em uma ampla faixa de temperatura, mas não pode ser usado abaixo de temperaturas de alguns kelvin. Para chegar à região de baixa temperatura, você precisaria de outros tipos de termômetro. Em princípio, todos eles podem ser calibrados concordar onde seus intervalos se sobrepõem.)

(Obrigado a Pieter por um detalhe que é sinalizado nos comentários e agora corrigido no texto, mas espero que o comentário permaneça.)

Comentários

• Isso deve ser 273,16, já que o ponto triplo está em 0,01 C.
• @Pieter Obrigado! Eu também não tinha certeza sobre detalhes como a composição química. É útil ter essa precisão.

Essa era a definição antiga.

Desde maio, o Kelvin é definido fixando o valor da constante de Boltzmann: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?k

Isso é consistente com o ponto triplo de um tipo específico de água ( VSMOW ) a 273,16 K.

Também é historicamente consistente com a definição ainda mais antiga do tamanho do centígrado como 1/100 da diferença de temperatura entre o congelamento e a fervura da água.

Uma escala diferente para temperatura absoluta é baseada no tamanho de um grau na escala Fahrenheit. Esta é a escala Rankine onde $ 1 $ kelvin = $ 1.8 \ ^ \ circ $ R.

Editar: então seu livro estava errado. O ponto triplo está em $ 273,16 $ K que é $ 0,01 \ ^ \ circ {\ rm C} $ ( pois o ponto triplo é ligeiramente mais alto do que o ponto de derretimento do gelo à pressão atmosférica).

Comentários

• OK, que ‘ é a definição antiga, mas a definição antiga é o que interessa ao OP. Esta resposta não ‘ ajuda a esclarecer o OP ‘ é o equívoco de que as unidades usadas para medir a temperatura do ponto triplo são importantes.
• OP pode estar interessado em saber que seu livro está um pouco desatualizado. E se eu tivesse escrito isso como um comentário, alguém teria reclamado que eu deveria ter escrito isso como uma resposta. Sempre aquelas reclamações cansativas neste site.
• Verifique minha resposta aqui: hsm.stackexchange.com/questions/6794/…
• Uma boa resposta, mas seria ainda melhor mencionar porque você tem $ 273,16 $ em vez de OP ‘ s $ 273,15 $ .
• @badjohn Boa sugestão. Feito.

Pode não ser óbvio pela experiência cotidiana com temperatura, mas tem um zero natural ponto, independente de qualquer escolha de escala.

A temperatura está relacionada ao movimento interno das partículas que constituem uma substância – quando todo o movimento interno cessa, a temperatura é zero.

Você pode pensar nisso como a concentração de corante em um tanque de água. Não há ambigüidade sobre o que zero significa: nenhum corante significa concentração zero. Conseqüentemente, o que você quer dizer quando diz ” A concentração de corante neste tanque é metade da concentração naquele ” não depende das unidades que você usa para especificar as concentrações.

A confusão pode surgir do fato de que, ao contrário da maioria das quantidades que têm um zero natural escalas de temperatura familiares de ponto (massa, energia cinética, etc.) têm um deslocamento para que as temperaturas comumente encontradas saiam como números pequenos.

Portanto, a resposta à sua pergunta sobre qual escala é usada na definição é: qualquer um que não imponha tal mudança.

O ponto triplo da água existe exatamente em uma pressão-temperatura ponto.

A medição da temperatura pela escala de gás, é feita encontrando NRT = PV em duas pressões diferentes, e reduzindo para 0, na suposição de NRT = PV + kV² + …

Portanto, 1 / 273,16 do ponto triplo diz que 1 kelvin é 1 / 273,16 do valor de PV implícito quando N = 0.

Portanto, é um evento de ocorrência natural.

Antigamente, o grau era definido como 0 = algum ponto frio, 1 = algum ponto quente e a escala dividida em vários graus.

Rømer definido 0 = água gelada e salgada congelando, 1 = água fervente, dividido em 60 graus,

Fahrenheit construiu um termômetro que tornou os graus de Rømer muito grandes, então ele esquartejou-os e usou um resfriado mais frio (basicamente a refrigeração está a 0 ° F). A escala multiponto de Rømer foi corrigida, então água pura congela em 32 e ferve em 212.

A escala Celsius é água pura congela em 0 e ferve em 1, dividido em 100 graus.

O grau de Réaumur é uma expansão de 1000 unidades de álcool no congelamento, que sobe 40 até evaporar, mas 80 é a ebulição da água.

Comentários

• Para precisão histórica, deve ser mencionado que o Sr. Celsius nunca experimentou essa escala, ele tinha congelamento em 100 e fervura em 0.
• A escala anton foi a primeira escala absoluta. Envolveu dois tubos de mercúrio, um dos quais foi fechado, e sua pressão ajustada para ler 73 polegadas de mercúrio no ponto de ebulição da água. Dado que a pressão atmosférica era de 29 polegadas, medida de Paris, a diferença é devida a PV = NRT, onde o LHS pode cair de 73 polegadas para qualquer que seja a pressão ambiente inferior a 29 polegadas.
• De todos das escalas, nenhuma satisfaz o uso de fahrenheit / celcius (onde o frio normal para o quente vai de 0 a 100) e uma escala absoluta. Em vez disso, a melhor solução parece ser usar 1,5 vez kelvin (ou gorem), o que permite que a água congele a 410 e ferva a 560 (então o intervalo 400-500 vai de -6,67 C a + 46,67 C), e o 970 é a temperatura da água mais quente pode ser. A balança a gás para cozinhar funciona a 600 + 20 GM.
• @ wendy.krieger Obrigado..Eu aprendi muito com sua resposta!
• Não aprendi ‘ t know R ø mer tinha uma escala de temperatura!Estive em vários lugares com o nome dele .

Eu li esta questão como uma pergunta sobre como realmente determinamos uma escala completa tendo apenas dois pontos únicos nela. O que está longe de ser trivial.

Historicamente, as pessoas primeiro construíam termômetros, por exemplo, colocando um líquido em um volume fixo com um tubo fino conectado. Em seguida, eles calibraram esses termômetros obtendo uma leitura para água fervente (100 ° C) e seu ponto de congelamento (0 ° C). No meio, eles simplesmente anexaram uma escala linear. E o que quer que a escala disse era 50 ° C, isso foi chamado de 50 ° C.

Funcionou surpreendentemente bem. Se você tiver dois copos de água em temperaturas diferentes e os misturar, obterá uma temperatura que está muito próxima da média da temperatura medida acima. Isso em si é uma coincidência e depende da capacidade de calor quase constante da substância. No entanto, se você tomar uma substância que muda sua capacidade de calor significativamente, sua temperatura média experimental não será a média matemática.

Uma definição mais precisa da temperatura só é ensinada em mecânica estatística: aqui a temperatura é definida como $$ T = \ frac {dE} {dS (E)} $$ , onde $ E $ é a energia do sistema e $ S (E) $ é a entropia do sistema. A constante de Boltzmann $ k_B $ , que faz parte da definição da entropia, conecta o Joule ao Kelvin nesta equação. Como tal, esta definição serve para definir a escala de Kelvin e, por consequência, todas as outras escalas de temperatura que temos em uso.