Kelvin -Kelvin

Kelvin
CelsiusKelvinThermometer.jpg
Termômetro com marcações em Celsius e em kelvins
Informação geral
Sistema de unidades Sistema internacional de unidades (SI)
Unidade de Temperatura
Símbolo K
Nomeado após William Thomson, 1º Barão Kelvin
Conversões
x  K em ... ... é igual a ...
   unidades SI    x  − 273,15  °C
   Unidades imperiais / dos EUA    1,8 (  x  − 273,15) + 32  °F
   Escala absoluta imperial/EUA    1,8  x  °Ra

O kelvin , símbolo K, é a unidade básica de temperatura do SI , em homenagem ao engenheiro e físico William Thomson, 1º Barão Kelvin (1824-1907) , nascido em Belfast e da Universidade de Glasgow . A escala Kelvin é uma escala de temperatura termodinâmica absoluta , o que significa que usa zero absoluto como seu ponto nulo.

A escala Kelvin foi desenvolvida mudando o ponto de partida da escala Celsius , muito mais antiga, do ponto de fusão da água para o zero absoluto, e seus incrementos ainda se aproximam da definição histórica de um grau Celsius, mas desde 2019 a escala foi definida por fixando a constante de Boltzmann k para1,380 649 × 10 −23  J⋅K −1 . Assim, um kelvin é igual a uma mudança na temperatura termodinâmica T que resulta em uma mudança de energia térmica kT por1,380 649 × 10 −23  J . A temperatura em Celsius agora é definida como a temperatura em kelvins menos 273,15, o que significa que uma mudança ou diferença de temperatura tem exatamente o mesmo valor quando expressa em kelvins como em Celsius, que o zero absoluto é exatamente 0 K e -273,15 °C, e que a água pura congela muito perto de 273,15 K e ferve perto de 373,15 K à pressão atmosférica padrão .

O kelvin é a unidade primária de temperatura para engenharia e ciências físicas , enquanto na maioria dos países Celsius continua sendo a escala dominante fora desses campos e nos Estados Unidos a escala Fahrenheit (também agora definida usando o kelvin) ainda é difundida .

Ao contrário do grau Fahrenheit e do grau Celsius, o kelvin data de meados do século XIX, em vez do início a meados do século XVIII, e nunca é referido nem escrito como um grau , nem normalmente capitalizado, exceto quando abreviado para K, por exemplo, "Está 50 graus Fahrenheit lá fora " vs "Está 10 graus Celsius lá fora" vs "Está 283 kelvins lá fora".

História

Precursores

Um banho de água gelada ofereceu um ponto de calibração prático para termômetros em um tempo antes que a natureza física do calor fosse bem compreendida.

Durante o século 18 várias escalas de temperatura foram desenvolvidas, mais notavelmente Fahrenheit e centígrados (mais tarde Celsius ). Essas escalas antecederam grande parte da ciência moderna da termodinâmica , incluindo o consenso científico em favor da teoria atômica e da teoria cinética dos gases que sustentam o conceito de zero absoluto. Em vez disso, eles escolheram pontos definidores dentro do alcance da experiência humana na época que poderiam ser reproduzidos de maneira fácil e razoavelmente precisa, mas não necessariamente tinham um significado profundo na física térmica. No caso da escala Celsius (e das já extintas escalas Newton e Réaumur ) o ponto de fusão da água serviu como um ponto de partida semi-arbitrário, sendo Celsius definido, desde a década de 1740 até a década de 1940 , calibrando-se um termômetro tal que:

Refere-se à água pura a uma pressão definida projetada para se aproximar da pressão natural do ar ao nível do mar . Uma implicação disso foi que um incremento de 1°C era igual a um incremento de1/100da diferença de temperatura entre os pontos de fusão e ebulição. Esse intervalo de temperatura se tornaria o modelo para o kelvin.

Lorde Kelvin

Lord Kelvin , o homônimo da unidade de medida

Em 1848, William Thomson, que mais tarde foi enobrecido como Lord Kelvin , publicou um artigo sobre uma escala termométrica absoluta . Usando a teoria calórica em breve extinta , ele propôs uma escala "absoluta" baseada nos seguintes parâmetros:

  • O ponto de fusão da água é 0 graus.
  • O ponto de ebulição da água é de 100 graus.

"Os pontos arbitrários que coincidem nas duas escalas são 0° e 100°"

"A propriedade característica da escala que agora proponho é que todos os graus têm o mesmo valor; isto é, que uma unidade de calor descendo de um corpo A na temperatura T ° desta escala, para um corpo B na temperatura ( T − 1)°, daria o mesmo efeito mecânico, qualquer que fosse o número T . Isso pode ser justamente chamado de escala absoluta, já que sua característica é bastante independente das propriedades físicas de qualquer substância específica."

Como o teorema de Carnot é entendido na termodinâmica moderna para simplesmente descrever a eficiência máxima com a qual a energia térmica pode ser convertida em energia mecânica e a eficiência máxima prevista é uma função da razão entre as temperaturas absolutas da fonte de calor e do dissipador de calor:

  • Eficiência ≤ 1 −temperatura absoluta do dissipador de calor/temperatura absoluta da fonte de calor

Segue-se que incrementos de números iguais de graus nesta escala devem sempre representar aumentos proporcionais iguais na temperatura absoluta. O valor numérico de uma temperatura absoluta, T , na escala de 1848 está relacionado com a temperatura absoluta do ponto de fusão da água, T mpw , e a temperatura absoluta do ponto de ebulição da água, T bpw , por:

  • T (escala 1848) = 100 ( lnT/T mpw) / ( lnT bpw/T mpw)

Nesta escala, um aumento de 222 graus sempre significa uma duplicação aproximada da temperatura absoluta, independentemente da temperatura inicial.

Em uma nota de rodapé Thomson calculou que "frio infinito" ( zero absoluto , que teria um valor numérico de infinito negativo nesta escala) era equivalente a -273 ° C usando os termômetros de ar da época. Este valor de "-273" foi o recíproco negativo de 0,00366 - o coeficiente aceito de expansão térmica de um gás ideal por grau Celsius em relação ao ponto de gelo, dando uma consistência notável ao valor atualmente aceito.

Dentro de uma década, Thomson abandonou a teoria calórica e substituiu a escala de 1848 por uma nova baseada nas 2 características que caracterizariam todas as versões futuras da escala kelvin:

  • O zero absoluto é o ponto nulo.
  • Os incrementos têm a mesma magnitude que na escala Celsius.

Em 1892 Thomson foi premiado com o título nobreBarão Kelvin de Largs , ou mais sucintamente Lord Kelvin. Este nome era uma referência ao rio Kelvin que flui pelos terrenos da Universidade de Glasgow.

Nas primeiras décadas do século 20, a escala Kelvin era frequentemente chamada de escala " Celsius absoluto ", indicando graus Celsius contados a partir do zero absoluto em vez do ponto de congelamento da água, e usando o mesmo símbolo para graus Celsius regulares, °C.

Padrão de ponto triplo

Um diagrama de fases típico . A linha verde sólida se aplica à maioria das substâncias; a linha verde tracejada indica o comportamento anômalo da água. A linha de ebulição (azul sólido) vai do ponto triplo ao ponto crítico , além do qual aumentos adicionais de temperatura e pressão produzem um fluido supercrítico .

Em 1873, o irmão mais velho de William Thomson, James , cunhou o termo ponto triplo para descrever a combinação de temperatura e pressão na qual as fases sólida, líquida e gasosa de uma substância eram capazes de coexistir em equilíbrio termodinâmico . Enquanto quaisquer duas fases podem coexistir ao longo de uma gama de combinações de temperatura-pressão (por exemplo, o ponto de ebulição da água pode ser afetado drasticamente aumentando ou diminuindo a pressão), a condição de ponto triplo para uma determinada substância pode ocorrer apenas a 1 pressão e apenas a 1 temperatura. Na década de 1940, o ponto triplo da água havia sido medido experimentalmente em cerca de 0,6% da pressão atmosférica padrão e muito próximo de 0,01 ° C pela definição histórica de Celsius então em uso.

Em 1948, a escala Celsius foi recalibrada atribuindo à temperatura do ponto triplo da água o valor de 0,01 °C exatamente e permitindo que o ponto de fusão à pressão atmosférica padrão tivesse um valor determinado empiricamente (e o ponto de fusão real à pressão ambiente tivesse um valor valor flutuante ) próximo de 0 °C. Isso foi justificado com base no fato de que o ponto triplo foi julgado para fornecer uma temperatura de referência reprodutível com mais precisão do que o ponto de fusão.

Em 1954, com o zero absoluto tendo sido determinado experimentalmente em cerca de -273,15 °C pela definição de °C então em uso, a Resolução 3 da 10ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) introduziu uma nova escala Kelvin padronizada internacionalmente que definiu o ponto triplo exatamente como: 273,15 + 0,01 = 273,16 "graus Kelvin"

Em 1967/1968, a Resolução 3 da 13ª CGPM renomeou o incremento unitário de temperatura termodinâmica "kelvin", símbolo K, substituindo "grau Kelvin", símbolo °K. A 13ª CGPM também sustentou na Resolução 4 que "O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é igual à fração1/273,16da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água."

Após a redefinição do metro em 1983 , isso deixou o kelvin, o segundo e o quilograma como as únicas unidades do SI não definidas com referência a qualquer outra unidade.

Em 2005, observando que o ponto triplo pode ser influenciado pela razão isotópica do hidrogênio e oxigênio que compõem uma amostra de água e que esta era "agora uma das principais fontes da variabilidade observada entre diferentes realizações do ponto triplo da água", o Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM), um comitê da CGPM, afirmou que, para fins de delinear a temperatura do ponto triplo da água, a definição de kelvin se referiria à água com a composição isotópica especificada para o Padrão de Viena Água média do oceano .

redefinição de 2019

O kelvin agora é fixado em termos da constante de Boltzmann e do joule , ele próprio definido pela frequência de transição hiperfina do césio-133 e pela constante de Planck . Ambos k e k B são abreviações aceitas para a constante de Boltzmann.

Em 2005, o CIPM iniciou um programa para redefinir o kelvin (junto com as outras unidades do SI) usando um método experimentalmente mais rigoroso. Em particular, o comitê propôs redefinir o kelvin de modo que a constante de Boltzmann assumisse o valor exato1,380 6505 × 10 −23  J/K . O comitê esperava que o programa fosse concluído a tempo de sua adoção pela CGPM em sua reunião de 2011, mas na reunião de 2011 a decisão foi adiada para a reunião de 2014 quando seria considerada como parte de um programa maior .

A redefinição foi adiada ainda mais em 2014, aguardando medições mais precisas da constante de Boltzmann em termos da definição atual, mas foi finalmente adotada na 26ª CGPM no final de 2018, com um valor de k  = 1,380 649 × 10 −23  J⋅K −1 .

Para fins científicos, a principal vantagem é que isso permite que as medições em temperaturas muito baixas e muito altas sejam feitas com mais precisão, pois as técnicas utilizadas dependem da constante de Boltzmann. Também tem a vantagem filosófica de ser independente de qualquer substância particular. A unidade J/K é igual a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , onde o quilograma , o metro e o segundo são definidos em termos da constante de Planck , da velocidade da luz e da duração do césio-133 transição hiperfina do estado fundamental, respectivamente. Assim, esta definição depende apenas de constantes universais , e não de quaisquer artefatos físicos como praticado anteriormente. O desafio era evitar a degradação da precisão das medições próximas ao ponto triplo. Para fins práticos, a redefinição passou despercebida; a água ainda congela a 273,15 K (0 °C), e o ponto triplo da água continua a ser uma temperatura de referência de laboratório comumente usada.

A diferença é que, antes da redefinição, o ponto triplo da água era exato e a constante de Boltzmann tinha um valor medido de1,380 649 03 (51) × 10 −23  J/K , com uma incerteza padrão relativa de3,7 × 10 −7 . Depois, a constante de Boltzmann é exata e a incerteza é transferida para o ponto triplo da água, que agora é273,1600(1)K .

A nova definição entrou oficialmente em vigor em 20 de maio de 2019, o 144º aniversário da Convenção do Metro .

Usos práticos

Fórmulas de conversão de temperatura Kelvin
de kelvins para kelvins
Celsius [°C] = [K] - 273,15 [K] = [°C] + 273,15
Fahrenheit [°F] = [K] ×  95  − 459,67 [K] = ([°F] + 459,67) ×  59
Rankine [°R] = [K] ×  95 [K] = [°R] ×  59
Para intervalos de temperatura em vez de temperaturas específicas,
1 K = 1 °C = 95  °F = 95  °R
Comparações entre várias escalas de temperatura

Temperatura de cor

O kelvin é frequentemente usado como uma medida da temperatura de cor das fontes de luz. A temperatura de cor é baseada no princípio de que um radiador de corpo negro emite luz com uma distribuição de frequência característica de sua temperatura. Corpos negros em temperaturas abaixo de cerca de4000 K aparecem avermelhados, enquanto os acima de cerca de7500 K aparecem azulados. A temperatura de cor é importante nas áreas de projeção de imagem e fotografia , onde uma temperatura de cor de aproximadamente5600 K é necessário para combinar com as emulsões de filme "luz do dia". Em astronomia , a classificação estelar das estrelas e seu lugar no diagrama de Hertzsprung-Russell são baseados, em parte, na temperatura de sua superfície, conhecida como temperatura efetiva . A fotosfera do Sol , por exemplo, tem uma temperatura efetiva de5778K .

Câmeras digitais e softwares fotográficos geralmente usam temperatura de cor em K nos menus de edição e configuração. O guia simples é que uma temperatura de cor mais alta produz uma imagem com tons de branco e azul aprimorados. A redução da temperatura da cor produz uma imagem mais dominada por cores avermelhadas e "mais quentes" .

Kelvin como uma unidade de temperatura de ruído

Para a eletrônica, o kelvin é usado como um indicador de quão ruidoso é um circuito em relação ao piso de ruído final , ou seja, a temperatura do ruído . O chamado ruído Johnson-Nyquist de resistores e capacitores discretos é um tipo de ruído térmico derivado da constante de Boltzmann e pode ser usado para determinar a temperatura de ruído de um circuito usando as fórmulas de Friis para ruído .

Caractere Unicode

O símbolo é codificado em Unicode no ponto de código U+212A K KELVIN SIGN . No entanto, este é um caractere de compatibilidade fornecido para compatibilidade com codificações herdadas. O padrão Unicode recomenda usar U+004B K LATIN CAPITAL LETTER K ; isto é, um K maiúsculo normal . "Três símbolos semelhantes a letras receberam equivalência canônica para letras regulares: U+2126 Ω OHM SIGN , U+212A K KELVIN SIGN e U+212B Å ANGSTROM SIGN . Em todos os três casos, a letra regular deve ser usada."

Veja também

Referências

links externos