El kelvin , de símbolo K , es una unidad de medida de temperatura . [1] La escala Kelvin es una escala absoluta , que se define de manera que 0 K es el cero absoluto y un cambio de temperatura termodinámica T en 1 kelvin corresponde a un cambio de energía térmica kT en 1,380 649 × 10 −23 J . La constante de Boltzmann k = 1.380 649 × 10 −23 J⋅K −1 se definió exactamente en la redefinición de 2019 de las unidades básicas del SI de modo que el punto triple del agua es273,16 ± 0,0001K . [2] El kelvin es la unidad base de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI), utilizada junto con sus formas prefijadas . [2] [3] [4] Lleva el nombre del ingeniero y físico William Thomson, primer barón Kelvin (1824-1907), nacido en Belfast y residente en la Universidad de Glasgow . [5]
Históricamente, la escala Kelvin se desarrolló a partir de la escala Celsius , de modo que 273,15 K eran 0 °C (el punto de fusión aproximado del hielo ) y un cambio de un kelvin era exactamente igual a un cambio de un grado Celsius . [1] [5] Esta relación sigue siendo precisa, pero las escalas Celsius, Fahrenheit y Rankine ahora se definen en términos de la escala Kelvin. [2] [6] [7] El kelvin es la unidad principal de temperatura para la ingeniería y las ciencias físicas , mientras que en la mayoría de los países la escala Celsius sigue siendo la escala dominante fuera de estos campos. [5] En los Estados Unidos, fuera de las ciencias físicas, predomina la escala Fahrenheit , utilizándose la escala Kelvin o Rankine para la temperatura absoluta. [6]
Durante el siglo XVIII , se desarrollaron múltiples escalas de temperatura , [8] en particular Fahrenheit y centígrados (más tarde Celsius ). Estas escalas son anteriores a gran parte de la ciencia moderna de la termodinámica , incluida la teoría atómica y la teoría cinética de los gases que sustentan el concepto de cero absoluto. En cambio, eligieron definir puntos dentro del rango de la experiencia humana que podrían reproducirse fácilmente y con una precisión razonable, pero que carecían de un significado profundo en la física térmica. En el caso de la escala Celsius (y de las ya extintas escalas Newton y Réaumur ), el punto de fusión del agua sirvió como punto de partida, definiéndose Celsius, desde la década de 1740 hasta la década de 1940 , calibrando un termómetro de manera que
Esta definición supone agua pura a una presión específica elegida para aproximarse a la presión del aire natural al nivel del mar . Por tanto, un incremento de 1 °C equivale1/100de la diferencia de temperatura entre los puntos de fusión y ebullición. El mismo intervalo de temperatura se utilizó posteriormente para la escala Kelvin.
De 1787 a 1802, fue determinado por Jacques Charles (inédito), John Dalton , [9] [10] y Joseph Louis Gay-Lussac [11] que, a presión constante, los gases ideales expandían o contraían su volumen linealmente ( ley de Charles ) en aproximadamente 1/273 partes por grado Celsius de cambio de temperatura hacia arriba o hacia abajo, entre 0 °C y 100 °C. Esto sugirió que el volumen de un gas enfriado a aproximadamente -273 °C llegaría a cero.
En 1848, William Thomson, quien más tarde fue ennoblecido como Lord Kelvin , publicó un artículo Sobre una escala termométrica absoluta . [12] [13] [14] Utilizando la teoría calórica que pronto desaparecerá , propuso una escala "absoluta" basada en los siguientes parámetros:
"Los puntos arbitrarios que coinciden en las dos escalas son 0° y 100°"
"La propiedad característica de la escala que ahora propongo es que todos los grados tienen el mismo valor; es decir, que una unidad de calor que desciende de un cuerpo A a la temperatura T ° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura ( T − 1)°, produciría el mismo efecto mecánico, cualquiera que sea el número T. Esto puede con razón denominarse escala absoluta, ya que su característica es bastante independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica.
Como se entiende en la termodinámica moderna, el teorema de Carnot describe simplemente la eficiencia máxima con la que la energía térmica se puede convertir en energía mecánica y la eficiencia máxima prevista es una función de la relación entre las temperaturas absolutas de la fuente de calor y el disipador de calor:
De ello se deduce que incrementos de igual número de grados en esta escala siempre deben representar aumentos proporcionales iguales en la temperatura absoluta. El valor numérico de una temperatura absoluta, T , en la escala de 1848 está relacionado con la temperatura absoluta del punto de fusión del agua, T mpw , y la temperatura absoluta del punto de ebullición del agua, T bpw , por
En esta escala, un aumento de 222 grados siempre significa aproximadamente una duplicación de la temperatura absoluta, independientemente de la temperatura inicial.
En una nota a pie de página, Thomson calculó que el "frío infinito" ( cero absoluto , que tendría un valor numérico de infinito negativo en esta escala) equivalía a -273 °C utilizando los termómetros de aire de la época. Este valor de "-273" era el recíproco negativo de 0,00366, el coeficiente aceptado de expansión térmica de un gas ideal por grado Celsius en relación con el punto de hielo, lo que otorga una consistencia notable al valor actualmente aceptado. [15]
En una década, Thomson abandonó la teoría calórica y reemplazó la escala de 1848 por una nueva [13] [16] basada en las 2 características que caracterizarían todas las versiones futuras de la escala Kelvin:
En 1892, Thomson recibió el título nobiliario de primer barón Kelvin de Largs , o más sucintamente Lord Kelvin. Este nombre era una referencia al río Kelvin que atraviesa los terrenos de la Universidad de Glasgow.
En las primeras décadas del siglo XX, la escala Kelvin a menudo se llamaba la escala " Celsius absoluta ", indicando los grados Celsius contados desde el cero absoluto en lugar del punto de congelación del agua, y usando el mismo símbolo para los grados Celsius regulares, °C. [a]
En 1873, James , el hermano mayor de William Thomson, acuñó el término punto triple [17] para describir la combinación de temperatura y presión a la que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia eran capaces de coexistir en equilibrio termodinámico . Si bien dos fases cualesquiera podrían coexistir a lo largo de una gama de combinaciones de temperatura y presión (por ejemplo, el punto de ebullición del agua puede verse afectado de manera muy dramática al aumentar o disminuir la presión), la condición de punto triple para una sustancia determinada sólo puede ocurrir a una única presión y sólo a una única temperatura. En la década de 1940, se había medido experimentalmente que el punto triple del agua era aproximadamente el 0,6% de la presión atmosférica estándar y muy cerca de 0,01 °C según la definición histórica de Celsius entonces en uso.
En 1948, la escala Celsius fue recalibrada asignando a la temperatura del punto triple del agua el valor de 0,01 °C exactamente [18] y permitiendo que el punto de fusión a presión atmosférica estándar tuviera un valor determinado empíricamente (y el punto de fusión real a presión ambiente tener un valor fluctuante ) cercano a 0 °C. Esto se justificó sobre la base de que se consideró que el punto triple proporcionaba una temperatura de referencia reproducible con mayor precisión que el punto de fusión. [19] El punto triple podría medirse con una precisión de ±0,0001 °C, mientras que el punto de fusión sólo con ±0,001 °C. [18]
En 1954, cuando se determinó experimentalmente que el cero absoluto era aproximadamente −273,15 °C según la definición de °C entonces en uso, la Resolución 3 de la Décima Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) introdujo una nueva escala Kelvin estandarizada internacionalmente que definió el punto triple es exactamente 273,15 + 0,01 = 273,16 grados Kelvin. [20] [21]
En 1967/1968, la Resolución 3 de la 13ª CGPM cambió el nombre del incremento unitario de temperatura termodinámica a "kelvin", símbolo K, en sustitución de "grado Kelvin", símbolo °K. [22] [23] [24] La 13ª CGPM también sostuvo en la Resolución 4 que "El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es igual a la fracción1/273.16de la temperatura termodinámica del punto triple del agua." [4] [25] [26]
Después de la redefinición del metro en 1983 , esto dejó al kelvin, el segundo y el kilogramo como las únicas unidades del SI no definidas con referencia a ninguna otra unidad.
En 2005, señalando que el punto triple podría verse influenciado por la relación isotópica del hidrógeno y el oxígeno que componen una muestra de agua y que esta era "ahora una de las principales fuentes de la variabilidad observada entre diferentes realizaciones del punto triple del agua", El Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), un comité de la CGPM, afirmó que a los efectos de delimitar la temperatura del punto triple del agua, la definición del kelvin se referiría al agua que tiene la composición isotópica especificada por la Norma de Viena. Agua media del océano . [4] [27] [28]
En 2005, el CIPM inició un programa para redefinir el kelvin (junto con las otras unidades del SI) utilizando un método experimental más riguroso. En particular, el comité propuso redefinir el kelvin de modo que la constante de Boltzmann tome el valor exacto1,380 6505 × 10 −23 J/K . [29] El comité había esperado que el programa se completara a tiempo para su adopción por la CGPM en su reunión de 2011, pero en la reunión de 2011 la decisión se pospuso hasta la reunión de 2014, cuando sería considerada como parte de un programa más amplio. . [30]
La redefinición se pospuso aún más en 2014, a la espera de mediciones más precisas de la constante de Boltzmann en términos de la definición actual, [31] pero finalmente se adoptó en la 26.ª CGPM a finales de 2018, con un valor de k = 1.380 649 × 10 −23 J⋅K −1 . [32] [29] [1] [2] [4] [33]
A efectos científicos, la principal ventaja es que permite realizar mediciones con mayor precisión a temperaturas muy bajas y muy altas, ya que las técnicas utilizadas dependen de la constante de Boltzmann. También tiene la ventaja filosófica de ser independiente de cualquier sustancia en particular. La unidad J/K es igual a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , donde el kilogramo , el metro y el segundo se definen en términos de la constante de Planck , la velocidad de la luz y la duración del cesio-133 transición hiperfina del estado fundamental respectivamente. [2] Por lo tanto, esta definición depende sólo de constantes universales , y no de ningún artefacto físico como se practicaba anteriormente. El desafío era evitar degradar la precisión de las mediciones cercanas al punto triple. A efectos prácticos, la redefinición pasó desapercibida; el agua todavía se congela a 273,15 K (0 °C), [2] [34] y el punto triple del agua sigue siendo una temperatura de referencia de laboratorio comúnmente utilizada.
La diferencia es que, antes de la redefinición, el punto triple del agua era exacto y la constante de Boltzmann tenía un valor medido de1,380 649 03 (51) × 10 −23 J/K , con una incertidumbre estándar relativa de3,7 × 10 −7 . [35] Después, la constante de Boltzmann es exacta y la incertidumbre se transfiere al punto triple del agua, que ahora es273.1600(1)K .
La nueva definición entró oficialmente en vigor el 20 de mayo de 2019, el 144.º aniversario de la Convención del Metro . [33] [1] [2] [4]
El kelvin se utiliza a menudo como medida de la temperatura de color de las fuentes de luz. La temperatura de color se basa en el principio de que un radiador de cuerpo negro emite luz con una distribución de frecuencia característica de su temperatura. Cuerpos negros a temperaturas inferiores a aproximadamente4000 K aparecen rojizos, mientras que los superiores aproximadamente7500 K aparecen azulados. La temperatura del color es importante en los campos de la proyección de imágenes y la fotografía , donde una temperatura del color de aproximadamenteSe requieren 5600 K para igualar las emulsiones de película "a la luz del día". En astronomía , la clasificación estelar de las estrellas y su lugar en el diagrama de Hertzsprung-Russell se basan, en parte, en su temperatura superficial, conocida como temperatura efectiva . La fotosfera del Sol , por ejemplo, tiene una temperatura efectiva de5772 K [1][2][3][4] adoptada por la Resolución B3 de la IAU de 2015.
Las cámaras digitales y el software fotográfico suelen utilizar la temperatura de color en K en los menús de edición y configuración. La guía sencilla es que una temperatura de color más alta produce una imagen con tonos blancos y azules mejorados. La reducción de la temperatura del color produce una imagen más dominada por colores rojizos y "más cálidos" .
En electrónica, el kelvin se utiliza como indicador de qué tan ruidoso es un circuito en relación con un piso de ruido último , es decir, la temperatura de ruido . El llamado ruido de Johnson-Nyquist de resistencias y condensadores discretos es un tipo de ruido térmico derivado de la constante de Boltzmann y puede usarse para determinar la temperatura de ruido de un circuito utilizando las fórmulas de Friis para el ruido .
La única unidad derivada del SI con un nombre especial derivado del kelvin es el grado Celsius. Al igual que otras unidades del SI, el kelvin también se puede modificar añadiendo un prefijo métrico que lo multiplique por una potencia de 10 :
Según la convención SI, nunca se hace referencia al kelvin ni se escribe como un grado . La palabra "kelvin" no se escribe con mayúscula cuando se utiliza como unidad. Se pluraliza según corresponda (por ejemplo, "afuera hay 283 kelvin", en contraste con "hace 50 grados Fahrenheit" o "10 grados Celsius"). [36] [37] [38] El símbolo de unidad K es una letra mayúscula. [22] Es una convención común escribir Kelvin con mayúscula cuando se hace referencia a Lord Kelvin [5] o la escala Kelvin. [39]
El símbolo de unidad K está codificado en Unicode en el punto de código U+212A K KELVIN SIGN . Sin embargo, este es un carácter de compatibilidad proporcionado para la compatibilidad con codificaciones heredadas. El estándar Unicode recomienda utilizar U+004B K LETRA K MAYÚSCULA LATINA en su lugar; es decir, una K mayúscula normal . "Se ha dado equivalencia canónica a tres símbolos parecidos a letras con letras regulares: U+2126 Ω OHM SIGN , U+212A K KELVIN SIGN y U+212B Å ANGSTROM SIGN . En los tres casos, se debe usar la letra regular". [40]
Si llevamos lo suficiente el estricto principio de graduación, expuesto anteriormente, deberíamos llegar a un punto correspondiente al volumen de aire reducido a nada, que estaría marcado como -273° de la escala (-100/·366, si ·366 es el coeficiente de expansión);
y por lo tanto -273° del termómetro de aire es un punto que no puede alcanzarse a ninguna temperatura finita, por baja que sea.
y en consecuencia que las tres curvas se encontrarían o cruzarían en un punto, al que he llamado
punto triple
.
Dunkelleuchtdichte. […] Unter Zugrundelegung dieser Empfindlichkeitskurve hat man 1940 in Deutschland die Dunkelleuchtdichte mit der Einheit Skot (sk) so festgesetzt, daß bei einem Licht der Farbtemperatur 2360 ° K 1 sk = 10 −3 asb gilt. 1948 ist von der Internationalen Beleuchtungskommission (IBK) die Bezugstemperatur auf 2046 °K, die Erstarrungstemperatur des Platins , festgesetzt worden. Die Bezeichnung Skot wurde von der IBK no übernommen, dafür soll "skotopisches Stilb" gesagt werden. Als höchstzulässiger Grenzwert für die Dunkelleuchtdichte ist in Deutschland 10 Skot festgesetzt worden, um eine Verwendung der Dunkelleuchtdichte im Gebiet des gemischten Zapfen - und Stäbchensehens zu vermeiden, da in diesem Bereich die photometrischen Maßgrößen wegen der allmählich gleite nden Augenempfindlichkeitskurve ihren Sinn verlieren. […] Skot, abgek[ürzt] sk, Einheit für die Dunkelleuchtdichte, welche für zahlenmäßige Angaben und zum Anschluß der Dunkelleuchtdichte an die normale Leuchtdichte 1940 von der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft [ geschaffen wurde. Für diesen Anschluß wurde die Strahlung des schwarzen Körpers bei T = 2360 °K, dh eine Strahlung der Farbtemperatur T 1 = 2360 °K vereinbart. Eine Lichtquelle strahlt mit der Dunkelleuchtdichte 1 sk, wenn sie photometrisch gleich einer Strahlung der Farbtemperatur T 2 = 2360 °K und der Leuchtdichte von 10 −3 asb (Apostilb) ist. Bei der Farbtemperatur T 1 = 2360 °K dorado también muere Relación: 1 sk = 10 −3 asb = 10 −7 /π sb.
[Martin, director del BIPM] Milton respondió a una pregunta sobre qué pasaría si... el CIPM o la CGPM votaran a favor de no seguir adelante con la redefinición de la IS.
Respondió que sentía que en ese momento la decisión de seguir adelante debería verse como una conclusión inevitable.
