開爾文

國際單位制中量度温度的基本單位

開爾文(英語:Kelvin)是溫度計量單位。它是國際單位制(SI)的七個基本單位之一,符號為K[註 1]。以開爾文計量的溫度標準稱為熱力學溫標,其零點為絕對零度。在熱力學的經典表述中,絕對零度下所有熱運動停止。早期1開爾文定義為水的三相點與絕對零度相差的1273.16[1]水的三相點是0.01℃,因此溫度變化1攝氏度,相當於變化1開爾文;現1開爾文由波茲曼常數定義。

開爾文
單位制國際單位制基本單位
物理量名稱溫度
符號K 
得名第一代開爾文男爵威廉·湯姆森
正式定義
定義克耳文,熱力學溫度單位,等於三相點的熱力學溫度的1/273.16
2019年 開爾文
單位制國際單位制基本單位
物理量名稱溫度
符號K 
得名第一代開爾文男爵威廉·湯姆森
正式定義
機構國際度量衡委員會
制訂日期2018國際度量衡大會
生效日期2019年5月20日
定義開爾文,符號K,國際單位制的熱力學溫度單位。當玻爾茲曼常數k以單位J⋅K−1,即kg⋅m2⋅s−2⋅K−1,表示時,將其固定數值取為1.380649×10−23來定義開爾文,其中千克、米和秒用hcΔνCs定義。
「kelvin」的各地常用譯名
中國大陸開爾文
臺灣克爾文
港澳開爾文
星馬開爾文
溫度計,左側單位爲攝氏度,右側單位爲克耳文

克氏溫標得名自英國工程師和物理學家第一代開爾文男爵威廉·湯姆森

歷史

 
開爾文勳爵,該單位的同名人物
1848年
開爾文勳爵威廉·湯姆森在其論文《關於一種絕對溫標》(On an Absolute Thermometric Scale)中寫道,需要一種以「絕對的冷」(絕對零度)作為零點的溫標,使用攝氏度作為其單位增量。湯姆森用當時的空氣溫度計測算出絕對零度等於−273℃。[2]這種絕對溫標現在稱為開爾文熱力學溫標。
1954年
第10屆國際計量大會(CGPM)第3號決議給出了熱力學溫標的現代定義,表明水的三相點為其第二定義點,並規定將其溫度訂定為273.15開。[3]
1967-1968年
第13屆CGPM第3號決議將熱力學溫度的單位增量由「絕對度」(符號K)更名為「開爾文」(符號K)。[1]同時,因為意識到要更明確地定義單位增量的程度的必要,第13次在國際度量衡大會第4號決議中指出「開爾文,熱力學溫度單位,等於水的三相點的熱力學溫度的1273.16。」[1]
2005年
國際計量委員會聲稱為了闡明水的三相點的溫度,開爾文熱力學溫標中的定義適用於VSMOW標準中規定的水有同位素結構。[4]

重新定義

2005年,國際計量委員會着手於重新定義開爾文,讓它有一個更嚴格的定義。當時的定義並不能滿足於在低於20 K和高於1300 K處的使用。[5] 委員會提出,應重新定義開爾文,以使得波爾茲曼常數是一個定值1.3806505×10−23 J/K[6]委員會原本希望,這個項目會在2011年的國際度量衡大會上通過,但到了2011年,這個提議又被推後到2014年,成為更大的項目中的一部分。[7]

新定義提案於2018年11月16日通過,已於2019年5月20日起生效。[8]

從科學的觀點來看,這個新定義會使開爾文和其它國際標準單位連接起來,並且可以不再依賴於某種特定的物質。從實際的觀點來看,這個新定義不會造成任何區別,水在一個大氣壓下的凝固點仍然是0℃(32℉,273.15 K)。[9]

實際使用

色溫

開爾文常用於測量光源的色溫。色溫基於黑體發出的光的顏色取決於輻射體的溫度的原理。溫度低於約4000 K的黑體為淺紅色,溫度高於約7500 K為淺藍色。色溫在投影和攝影的領域很重要,約5600 K的色溫需要匹配「日光」膠片。在天文學領域,恆星的光譜和它們在赫羅圖中的位置部分取決於他們的表面溫度,被稱作有效溫度。例如,太陽的光球的有效溫度為5778 K。

與其他溫度單位之間的轉換

從開氏溫標換算至其他溫度單位 從其他溫度單位換算至開氏溫標
攝氏溫標 [℃] = [K] - 273.15 [K] = [℃] + 273.15
華氏溫標 [℉] = [K] × 95 − 459.67 [K] = ([℉] + 459.67) × 59
蘭金溫標 [R] = [K] × 95 [K] = [R] × 59
德利爾溫標 [°De] = (373.15 − [K]) × 32 [K] = 373.15 − [°De] × 23
牛頓溫標 [°N] = ([K] − 273.15) × 33100 [K] = [°N] × 10033 + 273.15
列氏溫標 [°Ré] = ([K] − 273.15) × 45 [K] = [°Ré] × 54 + 273.15
羅氏溫標 [°Rø] = ([K] − 273.15) × 2140 + 7.5 [K] = ([°Rø] − 7.5) × 4021 + 273.15

註釋

  1. ^ 注意沒有°符號在K前面(與攝氏度和華氏度不同)。在1954年時的名稱為「開氏度」(°K,有°符號),後於1967年改名為「開爾文」(K,不含°符號)。

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Resolution 4: Definition of the SI unit of thermodynamic temperature (kelvin). Resolutions of the 13th CGPM. 國際度量衡局. 1967 [2008-02-06]. (原始內容存檔於2007-06-15). 
  2. ^ Thomson, William. On an Absolute Thermometric Scale. Philosophical Magazine. October 1848 [2008-02-06]. (原始內容存檔於2008-02-01). 
  3. ^ Resolution 3: Definition of the thermodynamic temperature scale. Resolutions of the 10th CGPM. 國際度量衡局. 1954 [2008-02-06]. (原始內容存檔於2007-06-23). 
  4. ^ Unit of thermodynamic temperature (kelvin). SI Brochure, 8th edition. Bureau International des Poids et Mesures: Section 2.1.1.5. 1967 [2008-02-06]. (原始內容存檔於2007-09-26). 
  5. ^ J. Fischer1; et al. Report to the CIPM on the implications of changing the definition of the base unit kelvin (PDF). International Committee for Weights and Measures (CIPM). 2007-05-02 [2010-02-23]. (原始內容存檔 (PDF)於2008-11-23). 
  6. ^ Ian Mills. Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units (PDF). CCU. 29 September 2010 [2011-01-01]. (原始內容存檔 (PDF)於2020-05-18). 
  7. ^ General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram. (PDF) (新聞稿). Sèvres, France: General Conference on Weights and Measures. 23 October 2011 [25 October 2011]. (原始內容存檔 (PDF)於2012-02-09). 
  8. ^ Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. NIST. 2018-11-16 [2018-11-16]. (原始內容存檔於2019-05-29) (英語). 
  9. ^ Updating the definition of the kelvin (PDF). International Bureau for Weights and Measures (BIPM). [2010-02-23]. (原始內容存檔 (PDF)於2008-11-23).