Кельвин
Базовая единица СИ · величина: термодинамическая температура
01 · Определение
Кельвин единственный измеряет температуру от начала отсчёта, а не от какого-то удобного нуля. И единственный определён через энергию: температура — это энергия на одну степень свободы.
С 2019 года кельвин задан фиксацией постоянной Больцмана: k = 1,380 649·10⁻²³ джоуля на кельвин. Один кельвин — такое изменение температуры, при котором тепловая энергия kT меняется ровно на 1,380 649·10⁻²³ джоуля. Ноль на этой шкале не условный: при 0 K тепловое движение прекращается, ниже опуститься нельзя, а отрицательных значений не бывает. Шаг кельвина совпадает с градусом Цельсия — это сделано специально, чтобы не переучивать инженеров.
Отрицательной абсолютной температуры не бывает: при 0 K тепловое движение останавливается. Достигнуть ноль невозможно — третье начало термодинамики. Рекорд лаборатории — 38 пикокельвинов, но не ноль.
02 · Пересчёт
Введите температуру — паспорт пересчитает
Кельвин — единственная температурная шкала, у которой приставки СИ имеют смысл: милликельвины в криостате, мегакельвины в плазме. С Цельсием и Фаренгейтом связь через сдвиг нуля, с Ранкином — только через множитель, потому что у него ноль тот же.
Практически температуру не вычисляют из постоянной Больцмана, а сверяют по реперным точкам ITS-90: тройная точка воды, точки затвердевания олова, цинка, серебра, золота — семнадцать фиксированных значений.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| µK | микрокельвин | 2,95·10⁸ µK | лазерное охлаждение, ловушки атомов |
| mK | милликельвин | 295 000 mK | криостаты, квантовые компьютеры |
| K | кельвин | 295 K | базовая запись температуры в СИ |
| kK | килокельвин | 0,295 kK | плазма, дуги, поверхности звёзд |
| MK | мегакельвин | 2,95·10⁻⁴ MK | ядра звёзд, термоядерные установки |
Приставки СИ работают только с кельвином: у Цельсия и Фаренгейта сдвинут ноль, приставки к ним не применяют
03 · Порядки величин
от пикокельвинов до кварк-глюонной плазмыКомнатная температура, 295 K
04 · Приборы измерения
Чем измеряют кельвины
Скорость звука в благородном газе прямо связана с kT. Первичный метод, которым и измерили постоянную Больцмана перед фиксацией.
Тепловой шум Джонсона в сопротивлении пропорционален kT. Работает от милликельвинов до тысяч кельвинов без калибровки.
Считает температуру по спектру излучения через закон Планка — так измеряют печи, металл в разливке и поверхности звёзд.
Ампула с водой, где лёд, вода и пар держат 273,16 K сами по себе. Рабочая точка передачи шкалы, воспроизводимость 0,1 mK.
05 · Правила записи
Просто K — без знака градуса и без точки
Знак «°K» отменён в 1967 году: кельвин — не градус, а самостоятельная единица, поэтому пишут 300 K. Символ заглавный, потому что фамилия; название единицы — строчное: «триста кельвинов». Разности температур в СИ пишут в кельвинах, даже если сами температуры в Цельсии.
06 · Соседние единицы
Кельвин стоит рядом с джоулем — через постоянную Больцмана они связаны напрямую. Градус Цельсия — единственная производная единица СИ с собственным именем, определённая через кельвин; в теплотехнике добавляются J/K для энтропии и W/(m·K) для теплопроводности.
K − 273,15
базовая СИ
теплоёмкость
При комнатной температуре kT ≈ 0,025 эВ — эта величина задаёт порог для полупроводников и химических реакций.
07 · Исторический раздел
Как искали абсолютный ноль
Уильям Томсон предложил шкалу, где ноль — прекращение теплового движения, а шаг взят от Цельсия. Обозначалась «°A» — absolute.
Та же идея абсолютного нуля, но с фаренгейтовым шагом. Живёт в американской теплотехнике: 1 K = 1,8 °Ra.
Кельвин был 1/273,16 температуры тройной точки — то есть зависел от свойств одного вещества и его изотопного состава.
Со знаком градуса и словом «градус». Отменено в 1967-м: кельвин не градус, а базовая единица со своим нулём.
Кельвин избавился от воды, но вода осталась в работе
Определение через тройную точку воды имело неприятную деталь: температура этой точки зависит от изотопного состава — тяжёлая вода замерзает иначе, чем обычная, и приходилось оговаривать эталонный состав океанской воды. С фиксацией постоянной Больцмана кельвин стал независимым от вещества, а тройная точка превратилась в измеряемую величину: 273,16 K с погрешностью около 0,1 милликельвина. При этом в лабораториях по-прежнему используют ампулы с тройной точкой — определение изменилось, практика передачи шкалы осталась.
Каталог · Международная система единиц
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц, двадцать две производные с собственными именами и архив систем, вышедших из обращения. Каждая — отдельный лист: определение, размерность, пересчёт, приборы, правила записи. На 33 языках.
Базовые единицы
откройте паспорт кельвинаПроизводные с собственным именем
терракотой — единственная, определённая через кельвинИсторические системы
архив обозначенийЯзык паспорта
33 языка. Символ K и формулы не переводятся — они одинаковы во всех локалях; переводится описание, примеры и правила записи для конкретной письменности.