Kelvin

Zavedení pojmu kelvin

Kelvin (značka K) je jednotkou termodynamické teploty.

Kelvin je jednou ze sedmi základních jednotek soustavy SI. Je definován dvěma hodnotami:

• 0 K je teplota absolutní nuly, tedy naprosto nejnižší teplota, která je fyzikálně definována,
• 273,16 K je teplota trojného bodu vody (0,01 °C).

V rámci očekávané změny definic základních fyzikálních jednotek se připravuje i nová definice kelvinu (fixací Boltzmannovy konstanty).

Rozdíl teplot jeden stupeň v Celsiově i Kelvinově stupnici je stejný, 1 K ≅ 1 °C. Stupnice však mají různé počátky: 0 °C odpovídá 273,15 K.

Kelvinovu stupnici měření teplot navrhl skotský matematik a fyzik William Thomson, který byl za své výrazné vědecké úspěchy povýšen do šlechtického stavu pod jménem lord Kelvin.

Přepočet na jiné stupnice

Celsiova stupnice

Stupnice pro Celsiův stupeň má stejný rozdíl teplot 1 °C = 1 K, ale posunutý počátek: 0 °C odpovídá 273,15 K, takže

$K/\mathrm {K} =C/^{\circ }\mathrm {C} +273{,}15\,$ ,

$C/\mathrm {^{\circ }C} =K/\mathrm {K} -273{,}15\,$ ,

kde C je teplota ve stupních Celsia, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −273,15 °C

0 °C = +273,15 K

100 °C = +373,15 K

Rankinova stupnice

Stupnice pro Rankinův stupeň má stejný počátek jako Kelvinova, ale jiný rozdíl teplot: 180 °R = 100 K, takže

$R/^{\circ }\mathrm {R} ={\frac {9}{5}}K/\mathrm {K} \,$ ,

kde R je teplota ve stupních Rankina, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = 0 °R

0 °C = 491,67 °R

100 °C = 671,67 °R

Fahrenheitova stupnice

Stupnice pro Fahrenheitův stupeň má rozdíl teplot stejný jako Rankinova, 1 °F = 1 °R, ale posunutý začátek: 32 °F odpovídá 0 °C, takže

$F/^{\circ }\mathrm {F} ={\frac {9}{5}}C/^{\circ }\mathrm {C} +32\,$ ,

kde F je teplota ve stupních Fahrenheita, C je teplota ve stupních Celsia.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −427,67 °F

-40 °C = −12 °F

0 °C = 32 °F

100 °C = 212 °F

Réaumurova stupnice

Stupnice pro Réaumurův stupeň má stejný počátek jako Celsiova, ale jiný rozdíl teplot: 100 °C = 80 °Re, takže

$Re/^{\circ }\mathrm {Re} =0{,}8\ K/\mathrm {K} -218{,}52=0{,}8\,C/^{\circ }\mathrm {C} \,$ ,

kde Re je teplota ve stupních Réaumura, K je teplota v kelvinech.

Z toho vyplývá pro hodnoty teploty:

0 K = −218,52 °Re

0 °C = 0 °Re

100 °C = 80 °Re

Teplota a energie

Molekulová a statistická fyzika dokazují, že střední kinetická energie E_k částic tvořících soustavu má v klasické aproximaci (ekvipartiční teorém) vlastnost teploty, tj. aby dvě soustavy 1, 2 byly navzájem v rovnováze, musejí mít částice, které je tvoří, stejné střední kinetické energie: E_k1 = E_k2. To umožňuje měřit teplotu pomocí energie:

$E=kT$ ,

kde konstantou k úměrnosti je Boltzmannova konstanta. V soustavě SI (v jednotkách J pro energii a K pro teplotu) má hodnotu.

$k=1{,}380\,648\,52(79)\times 10^{-23}\mathrm {J/K}$

V jaderné fyzice se energie často měří elektronvolty, eV; k přepočtu se použije táž rovnice E = k T, jen Boltzmannova konstanta bude vyjádřena v eV/K. Platí tyto ekvivalence (zaokrouhleno):

$1\;\mathrm {K} \ {\hat {=}}\ 8{,}617\cdot 10^{-5}\;\mathrm {eV}$

$1\;\mathrm {eV} \ {\hat {=}}\ 1{,}160\cdot 10^{4}\;\mathrm {K}$

$1\;\mathrm {K} \ {\hat {=}}\ 1{,}381\cdot 10^{-23}\;\mathrm {J}$

$1\;\mathrm {J} \ {\hat {=}}\ 7{,}243\cdot 10^{22}\;\mathrm {K}$

Barevná teplota světla

V kelvinech se rovněž udává barevná teplota světla (přesněji: teplota záře), zejména umělých světelných zdrojů – žárovek, zářivek a podobně. To je významné zejména pro snímání a záznam světla pro fotografie a film či video. Vnímaná barva světla černého tělesa rozežhaveného na danou teplotu T je určena jednak spektrální září L(λ, T) podle Planckova zákona, jednak poměrnou spektrální světelnou účinností standardního fotometrického pozorovatele.

Zajímavosti

Teplota 0 °C („bod mrazu“) je teplota, kdy je v rovnováze led, kapalná voda a vzduch nasycený vodní parou. Není to tedy přesně teplota trojného bodu, kdy je v rovnováze led, voda a pára (beze vzduchu). Teplota trojného bodu je 0,01 °C.

Do roku 1967 se používal termín „stupeň Kelvina“ a značka °K. Roku 1967 však tuto značku zrušila Generální konference pro míry a váhy. Termín „stupeň“ jako část názvu jednotky nadále užívá jen pro stupnice původem empirické (např. stupnice tvrdosti).

Literatura

• MILLS, Ian. IUPAC. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. Oxford, London, Edinburgh, Cambridge, Carlton Victoria (USA): Blackwell Scientific publications, 1993. 167 s. ISBN 0-632-03583-8. Kapitola 3; 7, s. 70; 113. (angl.) 
• KVASNICA, Jozef. Termodynamika. Praha: SNTL/SVTL, 1965. 396 s. ISBN ? 04-019-65. (čes.) 
• KVASNICA, Jozef. Statistická fyzika. Praha: Academia, 1983. 320 s. ISBN ? 104-21-852. (čes.) 
• SVOBODA, Emanuel; BAKULE, Roman. Molekulová fyzika. Praha: Academia, 1992. 276 s. ISBN 80-200-0025-9. (čes.) 
• ISO 80000-5:2007, Quantities and units - Part 5: Thermodynamics
• ISO 80000-5:2009, Quantities and units - Part 9: Physical chemistry and molecular physics
• ČSN ISO 80000-5:2011, Veličiny a jednotky - Část 5: Termodynamika
• ČSN ISO 80000-9:2011, Veličiny a jednotky - Část 9: Fyzikální chemie a molekulová fyzika