Kelvin

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee lämpötilan yksikköä. Sanan muita merkityksiä on lueteltu täsmennyssivulla.
Celsius- ja Kelvin-asteikoilla varustettu lämpömittari.

Kelvin (yksikön tunnus K [1][2]) on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle lämpötila. Kelvinin lämpötila-asteikko on absoluuttinen asteikko, jollaisella on nollakohta absoluuttisessa nollapisteessä. Kelvin-asteikon arvo on suoraan verrannollinen aineen lämpöliikkeen energian odotusarvoon, minkä vuoksi se on tieteessä ja tekniikassa tärkeimmän asteikon asemassa. Kelvin-asteikon asteväli on sama kuin Celsius-asteikolla eli 1 K = 1 °C.[2] Asteikon esitteli William Thomson eli lordi Kelvin vuonna 1848.

Määritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kelvin on nykyisen määritelmänsä mukaan 1/273,16-osa termodynaamisesta lämpötilasta puhtaan veden kolmoispisteessä.[3][4][2]

Vuoden 2005 lisäyksen mukaan puhdas vesi on tislattua vettä, jossa veden alkuaineet vety ja happi täyttävät isotooppien suhteen seuraavan seossuhteen. Vedyssä tulee esiintyä isotooppia 2H 0,00015576 mol jokaista moolia 1H kohti. Happea tulee esiintyä isotooppia 17O 0,0003799 mol jokaista moolia 16O kohti ja isotooppia 18O 0,0020052 mol jokaista moolia 16O kohti.[4][2]

Määritelmästä seuraa se, että veden kolmoispisteen lämpötila on kelvineinä tasan 273,16 K, joka on noin 0,01 °C.[4]

Suhde muihin lämpötila-asteikkoihin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mitatun lämpötilan T ja veden jäätymispisteen lämpötilan T0 erotusta kutsutaan Celsius-asteeksi t

t = T - T_0.

Celsius on siten virallinen lämpötilayksikkö, jota käytetään kelvinin rinnalla.[2] Celsius on tämän tulkinnan mukaan kelvinin erityisnimi.[5] Celsius-asteikossa käytetään positiivisia ja negatiivisia arvoja, koska se on suhteellinen lämpötila-asteikko, mutta Kelvin-asteikossa on vain positiivisia arvoja, koska se on absoluuttinen lämpötila-asteikko.

Koska kolmoispisteen lämpötila T on 273,16 K ja t 0,01 °C, veden jäätymispiste T on 273,15 K, eli t = 0 °C. Koska asteikkoväli kelvin- ja Celsius-asteikoissa on sama, voidaan muunnokset näiden välillä tehdä lisäämällä tai vähentämällä luku 273,15. Celsius-asteet muutetaan kelvineiksi

\frac{T}{K} = \frac{t}{^\circ C} + 273,15

ja kelvinit Celsius-asteiksi

\frac{t}{^\circ C} = \frac{T}{K} - 273,15 [4][2]

Koska kelvin-asteikko on sama astevälinsä suhteen kuin Celsius-asteikko, voidaan sanoa kelvinin korvanneen osittain sen tieteellisissä mittauksissa. Sen sijaan on ollut olemassa toinenkin absoluuttinen eli termodynaaminen lämpötila-asteikko. Se oli Rankine-asteikko, jonka asteväli oli Fahrenheit-asteikon asteen suuruinen. Tätä käytettiin vielä 1900-luvulla Yhdysvalloissa, mutta sitä ei enää suositella käytettäväksi.[6][7]

Yksiköiden kirjoittaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kelvin-asteikon nimi juontaa juurensa brittiläisen fyysikon William Thomsonin aatelisnimestä Kelvin, joten yksikön nimi kirjoitetaan erotukseksi pienellä alkukirjaimella kelvin. Yksikön tunnus sen sijaan kirjoitetaan isolla kirjaimella K. Celsius-yksikön nimi kirjoitetaan kuitenkin isolla alkukirjaimella, Celsius-yksikkö ja Celsius-asteikko kuten myös yksikön tunnus °C. Astetta merkitsevä ympyrä kuuluu vuoden 1968 suosituksen jälkeen lisätä vain Celsius-yksikköön.[2]

Kelvinin symboli on tavallinen iso K-kirjain, myös Unicode-merkistössä. Unicodessa on tosin olemassa niin sanottu yhteensopivuusmerkki U+212A (KELVIN SIGN), mutta se on tarkoitettu ainoastaan teknisiin erityistarkoituksiin merkistönmuunnoksissa.[8][9]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämpötila-asteikon esitteli William Thomson, eli lordi Kelvin vuonna 1848. Hän käytti kaasulämpömittaria, jonka täyteaineen (ilman) lämpölaajenemista hän tutki. Kaasun tilavuudet hän kirjasi ylös Celsius-asteiden funktiona. Kelvin oletti, että tilavuuden muutokset ja lämpötilaerot seuraavat toisiaan suoraan verrannollisesti, ja laski tämän perusteella kaasun nollatilavuudelle arvon -273 °C, aivan kuten teki myös Gay-Lussac. Tämä oli käänteisluku kaasun lämpölaajenemiskertoimelle Celsius-asteen lämmönnousulle.[10]

Kelvinin määritelmäksi määrättiin vuonna 1954 kymmenennessä yleisessä paino- ja mittakonferenssissa (10th Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM [11]) veden jäätymispisteen sijasta tarkempi veden kolmoispiste, joka asetetaan tarkasti lukemalle 273,16 K. Veden jäätymispiste 0 °C on tästä lähtien 0,01 astetta alempi lämpötila kuin kolmoispiste.[12]

Kelvinin tunnuksesta °K jätettiin vuonna 1968 pois astemerkki. Siitä lähtien yksikkönä on käytetty vain merkkiä K. Samassa yhteydessä sallittiin myös Celsius-asteiden käyttö kelvinin rinnalla kaikissa yhteyksissä.[12]

CIPM ehdotti 2005 mittatarkkuuden kasvaessa, että kelvin määriteltäisiin sellaisesta vedestä, jonka isotooppisuhteet ovat jakaantuneet nykyään voimassa olevalla tavalla.[13]

Vuoden 2007 kansainvälisessä mitta- ja painokonferenssissa on käsitelty ehdotusta kelvinin määrittelemiseksi uudestaan Boltzmannin vakion avulla. Tällöin mainittu vakio saisi tarkkaan määritellyn arvon 1,3806505×10-23 joulea kelviniä kohti.[14]

Johdannaisyksiköitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kelviniä on käytetty eräissä johdannaisyksiköissä:

SI-kertoimet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikki kelvinin kerrannaiset ovat

Kerroin Nimi Tunnus Kerroin Nimi Tunnus
100 kelvin K      
101 dekakelvin daK 10–1 desikelvin dK
102 hehtokelvin hK 10–2 senttikelvin cK
103 kilokelvin kK 10–3 millikelvin mK
106 megakelvin MK 10–6 mikrokelvin µK
109 gigakelvin GK 10–9 nanokelvin nK
1012 terakelvin TK 10–12 pikokelvin pK
1015 petakelvin PK 10–15 femtokelvin fK
1018 eksakelvin EK 10–18 attokelvin aK
1021 tsettakelvin ZK 10–21 tseptokelvin zK
1024 jottakelvin YK 10–24 joktokelvin yK

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. SI-järjestelmä suomeksi
  2. a b c d e f g Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.20
  3. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.23
  4. a b c d Bureau International des Poids et Mesures, Unit of thermodynamic temperature (kelvin)
  5. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.25
  6. B.8 Factors for Units Listed Alphabetically The National Institute of Standards and Technology. Viitattu 25.2.2014. (englanniksi)
  7. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): Guide for the Use of the International System of Units (SI), 2008, s.20
  8. Jukka K. Korpela: Unicode Explained, s. 411. O'Reilly Media, 2006.
  9. Mark Davis: Unicode Myths (s. 23) Viitattu 11.6.2010.
  10. Zapato Productions: "On an Absolute Thermometric Scale", By Lord Kelvin
  11. General Conference on Weights and Measures Sizes, Inc. Viitattu 25.2.2014. (englanniksi)
  12. a b Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.63
  13. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.80
  14. Mills, Ian: Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units (pdf) (s. 9) 29.9.2010. Viitattu 23.2.2014. (englanniksi)
  15. a b c Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.64