Skala Kelvina
Skala Kelvina (symbol K) jest jedną z trzech najważniejszych skal temperatury używanych w termodynamice. Jest to skala absolutna, w której zero oznacza temperaturę absolutną, czyli najniższą możliwą temperaturę – zerowe kelwiny (0 K). Skala ta została zaproponowana w 1848 r. przez brytyjskiego fizyka Lorda Kelvina (William Thomson).
Definicja i jednostka
Jednostką temperatury w skali Kelvina jest kelwin, będący jednostką bazową w Międzynarodowym Systemie Jednostek (SI). Jednostka kelwin jest równoznaczna ze zmianą temperatury o 1 °C, ale skala nie posiada wartości ujemnych.
Różnice względem skali Celsjusza i Fahrenheita
Przeliczenia pomiędzy skalami odbywają się według prostych wzorów:
- Kelvin ⇔ Celsjusz:
T(K) = t(°C) + 273,15 - Kelvin ⇔ Fahrenheit:
T(K) = (t(°F) + 459,67) × 5/9
W przeciwieństwie do skali Celsjusza i skali Fahrenheita, w skali Kelvina nie stosuje się stopnia (np. „stopnie kelwina”), a jedynie samo słowo „kelwin”.
Podstawowe pojęcia
- Zero absolutne
- Najniższa teoretycznie możliwa temperatura, przy której cząsteczki nie posiadają energii kinetycznej. Wynosi 0 K (≈ ‑273,15 °C).
- Temperatura punktu potrójnego wody
- Wartość 273,16 K, w której woda może jednocześnie występować w postaci stałej, ciekłej i gazowej.
- Temperatura pokojowa
- Typowo przyjmuje się zakres od 293 K (20 °C) do 298 K (25 °C).
Zastosowania
Skala Kelvina jest powszechnie wykorzystywana w:
- Fizyce ciała stałego – opis zachowań krystalicznych, przewodnictwa elektrycznego i cieplnego.
- Astronomii – pomiar temperatury gwiazd i kosmicznego promieniowania tła.
- Inżynierii chemicznej – równania równowagi chemicznej (np. prawo Van’t Hoffa).
- Kriogenicznej technologii – utrzymywanie bardzo niskich temperatur.
Historia
W 1848 r. William Thomson, później znany jako Lord Kelvin, zaproponował skalę, w której zero definiowano jako zerowe ciepło całkowite, czyli punkt, w którym cząsteczki przestają poruszać się wskutek całkowitej utraty energii kinetycznej. Skala ta została przyjęta w międzynarodowym systemie jednostek dzięki jej praktycznym zaletom w nauce i technice.
Prawo przyrostu entropii
W termodynamice pojęcie temperatury w kelwinach jest kluczowe przy wyrażaniu drugiego prawa termodynamiki, np. w postaci ΔS ≥ Q/T, gdzie T jest wyrażone w kelwinach.
Przykłady
| Wartość (°C) | Wartość (K) | Opis |
|---|---|---|
| ‑273,15 | 0 | Zero absolutne |
| 0 | 273,15 | Lodowatość wody przy standardowym ciśnieniu |
| 20 | 293,15 | Temperatura pokojowa |
| 100 | 373,15 | Temperatura wrzenia wody przy 1 atm |
Jednostki pomocnicze
W niektórych dziedzinach stosuje się także jednostkę stopnia Kelvina (K) jako przyrost temperatury, szczególnie w równaniach różniczkowych i w analizie cieplnej, choć formalnie nie ma „stopnia” w samej skali.
Powiązane pojęcia
- Prawo Stirliga – opisująca zależność między temperaturą a objętością gazu w procesie izotermicznym.
- Prawo Boltzmanna – łączące temperaturę z energią kinetyczną cząsteczek.
- Promieniowanie czarnego ciała – emisja zależna od temperatury wyrażonej w kelwinach.
Skala Kelvina pozostaje fundamentalnym narzędziem w nowoczesnej nauce, umożliwiając precyzyjne pomiary i porównania temperatur w skali absolutnej, nieograniczonej ujemnymi wartościami.