Kelvin
Obsah boxu
Kelvin (značka K) je základní jednotka termodynamické teploty v soustavě SI. Je pojmenována po skotsko-irském inženýrovi a fyzikovi Williamu Thomsonovi, 1. baronu Kelvinovi (1824–1907), který psal o potřebě "absolutní teploměrné stupnice". Na rozdíl od stupňů Celsia nebo Fahrenheita se u kelvinů nepoužívá slovo "stupeň" ani symbol °.
Kelvinova stupnice je absolutní stupnice, jejíž nulový bod (0 K) je definován jako absolutní nula. To je nejnižší možná teplota, při které podle principů klasické termodynamiky ustává veškerý tepelný pohyb částic.
⏳ Historie a definice
Koncept absolutní teplotní stupnice poprvé navrhl William Thomson v roce 1848. Jeho práce vycházela z poznatků termodynamiky a potřeby stupnice, která by nebyla závislá na vlastnostech konkrétní látky (jako je voda u Celsiovy stupnice).
Vývoj definice
- Původní definice: Kelvin byl původně definován jako 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. Trojný bod vody je specifická teplota a tlak (0,01 °C a 613 Pa), při kterých existuje voda současně v pevném, kapalném i plynném skupenství.
- Redefinice 2019: V rámci redefinice základních jednotek SI v roce 2019 byl kelvin nově definován na základě fixace číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty (k) na přesnou hodnotu 1,380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹. Tato změna propojila definici teploty přímo se energií na mikroskopické úrovni a odstranila závislost na experimentálním určení trojného bodu vody.
🌡️ Vztah k jiným stupnicím
Velikost jednoho kelvinu je stejná jako velikost jednoho stupně Celsia. Stupnice jsou vůči sobě pouze posunuté.
Převodní vztahy
- Celsiova stupnice (°C):
- [K] = [°C] + 273,15
- [°C] = [K] − 273,15
- Fahrenheitova stupnice (°F):
- [K] = ([°F] + 459,67) × 5/9
- [°F] = [K] × 9/5 − 459,67
- Rankinova stupnice (°R):
- [K] = [°R] × 5/9
- [°R] = [K] × 9/5
| Popis | Kelvin (K) | Celsius (°C) | Fahrenheit (°F) |
|---|---|---|---|
| Absolutní nula | 0 K | -273,15 °C | -459,67 °F |
| Bod mrazu vody | 273,15 K | 0 °C | 32 °F |
| Trojný bod vody | 273,16 K | 0,01 °C | 32,018 °F |
| Bod varu vody | 373,15 K | 100 °C | 212 °F |
🔬 Vědecké a praktické využití
Kelvinova stupnice je standardem ve vědě a technice, zejména ve fyzice, chemii a meteorologii.
- Termodynamika: Všechny termodynamické výpočty, které zahrnují teplotu (např. stavová rovnice ideálního plynu nebo výpočty účinnosti tepelných strojů), musí používat absolutní teplotu v kelvinech.
- Astronomie a astrofyzika: Teploty hvězd, planet a kosmického mikrovlnného pozadí (přibližně 2,7 K) se udávají v kelvinech.
- Fyzika kondenzovaného stavu: Při studiu jevů za extrémně nízkých teplot, jako je supravodivost nebo supratekutost, je Kelvinova stupnice nezbytná.
- Barevná teplota: V oblasti osvětlení, fotografie a videa se používá pojem barevná teplota světla, která se udává v kelvinech. Vyšší hodnoty (např. 6500 K) odpovídají studenému, namodralému světlu (denní světlo), zatímco nižší hodnoty (např. 2700 K) představují teplé, nažloutlé světlo (světlo žárovky).
- Elektronika: V elektronice se kelvin používá k vyjádření šumové teploty, která charakterizuje úroveň šumu generovaného elektronickými součástkami.
🧊 Absolutní nula
Absolutní nula (0 K nebo -273,15 °C) je teoretický stav látky s nejnižší možnou vnitřní energií. Podle třetího termodynamického zákona jí nelze nikdy zcela dosáhnout, ačkoli se jí vědci v laboratořích dokázali extrémně přiblížit.
I při absolutní nule by částice stále vykazovaly pohyb v důsledku kvantově mechanického jevu zvaného energie nulového bodu. Nejedná se tedy o absolutní zastavení veškerého pohybu v klasickém smyslu.
Nejchladnějším známým místem ve vesmíru je mlhovina Bumerang, kde byla naměřena teplota přibližně 1 K (-272,15 °C). V laboratorních podmínkách se podařilo dosáhnout teplot v řádu pikokelvinů (10⁻¹² K).
👨🏫 Vysvětlení pro laiky
Představte si teplotu jako rychlost, jakou se třesou a kmitají neviditelně malé částečky (atomy a molekuly), ze kterých je všechno složeno.
- Horké věci: Částečky v horkém čaji kmitají velmi rychle.
- Studené věci: Částečky v kostce ledu kmitají mnohem pomaleji.
Celsiova stupnice, kterou běžně používáme, si jako nulu (0 °C) vybrala bod, kdy mrzne voda. Ale i v ledu se částečky stále trochu pohybují. Fyzikové chtěli stupnici, která by začínala od úplného "zastavení".
A to je Kelvinova stupnice. Její nula (0 K) je bod, kterému říkáme absolutní nula. To je nejnižší možná teplota ve vesmíru, kdy se pohyb částeček téměř úplně zastaví. Je to taková absolutní "teplotní podlaha", pod kterou už nelze jít.
Hlavní rozdíl je tedy v tom, kde je "startovní čára":
- Celsius startuje na bodu mrazu vody.
- Kelvin startuje na absolutním minimu teploty.
Protože velikost jednoho dílku (jednoho kelvinu a jednoho stupně Celsia) je stejná, je převod snadný. Stačí si pamatovat, že 0 °C je totéž jako 273,15 K.