켈빈

Kelvin
이 기사는 온도의 단위에 관한 것입니다.기타 용도는 켈빈(동음이의)을 참조하십시오.
켈빈의
섭씨 및 켈빈 단위 표시가 있는 온도계
일반정보
단위계SI
단위온도
기호.K
이름을 따서 지음제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨
전환
x K in...... ...에 해당합니다.
섭씨 (x − 273.15) °C
화씨 (1.8 x − 459.67) °F
랭킨 1.8 x °Ra

켈빈(Kelvin)은 온도를 측정하는 단위입니다.[1]켈빈 척도는 0 K가 절대 0이 되도록 정의된 절대 척도이며 열역학적 온도 T의 1 켈빈 변화는 열에너지 kT의 1.380649 x 10−23 J의 변화에 해당합니다.볼츠만 상수 k = 1.380649×10 J ⋅K는 물의 삼중점이 273.16±0.0001K가 되도록 2019년 SI 기본 단위의 재정의에서 정확하게 정의되었습니다.켈빈은 국제 단위계(SI)에서 온도의 기본 단위이며 접두사 형태와 함께 사용됩니다.[2][3][4]벨파스트 태생으로 글래스고 대학교 출신의 공학자이자 물리학자인 윌리엄 톰슨(William Thomson)의 이름을 따서 명명되었습니다.[5]

역사적으로 켈빈 척도는 섭씨 스케일로부터 발전되었는데, 273.15K는 0°C(얼음의 대략적인 녹는점)이고, 1 켈빈의 변화는 정확히 섭씨 1도의 변화와 같습니다.[1][5]이 관계는 정확하게 유지되지만, 섭씨, 화씨, 랭킨 척도는 켈빈 척도로 정의됩니다.[2][6][7]켈빈은 공학과 물리학의 주요 온도 단위이며, 대부분의 국가에서는 섭씨 스케일이 이 분야 밖에서 우세한 스케일로 남아있습니다.[5]미국에서는 물리학 이외의 분야에서 화씨 척도가 우세하며 절대 온도의 경우 켈빈 또는 랭킨 척도를 사용합니다.[6]

역사

참고 항목:열역학적 온도 § 역사

전구물질

얼음물 목욕은 열의 물리적 성질이 잘 이해되기 전에 온도계에 대한 실질적인 교정점을 제공했습니다.

18세기 동안, 다양한 온도 척도들이 개발되었는데,[8] 특히 화씨와 섭씨(후에 섭씨)입니다.이러한 척도들은 원자론과 절대영도의 개념을 뒷받침하는 기체의 운동 이론을 포함한 열역학의 현대 과학의 많은 부분을 앞섰습니다.대신, 그들은 쉽고 합리적인 정확성으로 재현할 수 있는 인간의 경험 범위 내에서 정의적인 점을 선택했지만, 열 물리학에서는 깊은 의미가 없었습니다.섭씨 스케일(그리고 사라진 지 오래된 뉴턴 스케일과 레아우무르 스케일)의 경우, 물의 녹는점은 1740년대부터 1940년대까지 온도계를 다음과 같이 교정함으로써 정의되는 그러한 출발점의 역할을 했습니다.

이 정의는 해수면의 자연 기압을 근사화하기 위해 선택된 특정 압력에서 순수한 물을 가정합니다.따라서 1°C의 증분은 다음과 같습니다.녹는점과 끓는점 사이의 온도차의 100분의 1.이 온도 간격은 켈빈의 주형이 될 것입니다.[citation needed]

찰스의 법칙

1787년부터 1802년까지 Jacques Charles (미출판), John Dalton,[9][10] Joseph Louis Gay-Lussac에[11] 의해 일정한 압력에서 이상기체는 섭씨 0도에서 100도 사이에서 섭씨 1도당 약 1/273만큼 부피가 선형적으로 팽창하거나 수축한다는 것이 밝혀졌습니다.이는 약 -273°C에서 냉각된 기체의 부피가 0에 도달할 것이라는 것을 의미합니다.

켈빈 경

켈빈 경, 측정 단위의 이름과 같습니다.

1848년, 후에 켈빈 경(Lord Kelvin)으로 추앙된 윌리엄 톰슨(William Thomson)은 절대 온도 척도에 관한 논문을 발표했습니다.[12][13][14]그는 곧 사라질 열량 이론을 사용하여 다음과 같은 매개변수를 바탕으로 "절대" 척도를 제안했습니다.

  • 물의 녹는점은 0도 입니다.
  • 물의 끓는점은 100도 입니다.

"두 눈금에서 일치하는 임의의 점은 0°와 100°입니다."

"제가 지금 제안하는 척도의 특징적인 특성은 모든 도가 동일한 값을 갖는다는 것입니다. 즉, 이 척도의 온도 T°에서 물체 A에서 온도 (T - 1)°,에서 물체 B로 내려오는 열의 단위는 숫자 T가 무엇이든 동일한 기계적 효과를 낼 것입니다.이것의 특성은 어떤 특정 물질의 물리적 특성과도 상당히 독립적이기 때문에 이것을 절대 규모라고 부를 수도 있습니다."

현대 열역학에서 카르노의 정리는 열에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 최대 효율과 예측된 최대 효율은 열원과 히트 싱크의 절대 온도 사이의 비율의 함수입니다.

  • 효율 ≤ 1 - 히트싱크 절대온도/ 열원 절대온도

이 척도에서 동일한 수의 도 증가는 항상 절대 온도의 동일한 비례 증가를 나타내야 합니다.1848 스케일에서 절대온도 T의 수치는 물의 녹는점 T의mpw 절대온도와 물의 끓는점 T의bpw 절대온도와 다음과 같은 관계가 있습니다.

  • T(1848저울) = 100 (lnT/T) / (lnT/T)

이 스케일에서 222도가 증가한다는 것은 시작 온도에 관계없이 항상 절대 온도가 약 두 배 증가한다는 것을 의미합니다.

각주에서 톰슨은 당시의 공기 온도계를 사용하여 "무한한 추위"(이 척도에서 음수 값을 가지는 절대 0)가 -273 °C에 해당한다고 계산했습니다.이 값 "-273"은 0.00366의 음의 역수로, 빙점에 대한 섭씨 1도당 이상 기체의 열팽창 계수가 허용되어 현재 허용된 값에 현저한 일치를 보였습니다.[citation needed]

10년 만에 톰슨은 칼로리 이론을 버리고 켈빈 척도의 미래 버전을 특징짓는 두 가지 특징을 바탕으로 1848년 척도를 새로운 것으로[13][15] 대체했습니다.

  • 절대 0은 귀무점입니다.
  • 증분은 섭씨 스케일에서와 동일한 크기를 갖습니다.

1892년, 톰슨은 제1대 켈빈 남작(Lord Kelvin of Largs), 즉 켈빈 경(Lord Kelvin)이라는 고귀한 칭호를 받았습니다.이 이름은 글래스고 대학의 운동장을 흐르는 켈빈 강을 가리켰습니다.

20세기 초 수십 년 동안 켈빈 척도는 종종 "절대 섭씨" 척도로 불렸는데, 물의 어는 점이 아니라 절대 0도에서 셀 수 있는 섭씨도를 가리키며, 섭씨로 일정한 온도를 나타내는 기호를 사용했습니다.[a]

삼중점기준

일반적인 위상 다이어그램입니다.초록색 실선은 대부분의 물질에 적용됩니다. 초록색 실선은 물의 비정상적인 행동을 제공합니다.비등선(고체 파란색)은 삼중점에서 임계점까지 이어져 온도와 압력이 더욱 증가하면 초임계 유체가 생성됩니다.

1873년 윌리엄 톰슨의 형 제임스는 물질의 고체, 액체, 기체가 열역학적 평형에서 공존할 수 있는 온도와 압력의 조합을 설명하기 위해 삼중점이라는[16] 용어를 만들었습니다.임의의 두 상이 다양한 온도-압력 조합을 따라 공존할 수 있지만(예: 물의 끓는점은 압력을 높이거나 낮춤으로써 상당히 큰 영향을 받을 수 있음), 주어진 물질에 대한 삼중점 조건은 단일 압력에서만 발생할 수 있고 단일 온도에서만 발생할 수 있습니다.1940년대까지, 물의 삼중점은 실험적으로 표준 대기압의 약 0.6%이고 섭씨의 역사적 정의에 따라 0.01°C에 매우 가까운 것으로 측정되었습니다.

1948년, 섭씨 스케일은 물의 삼중점 온도를 0.01[17]°C의 값으로 정확히 할당하고 표준 대기압에서 녹는점이 경험적으로 결정된 값(그리고 주변 압력에서 실제 녹는점은 요동하는 값)을 0°C에 가깝게 갖도록 하여 재보정되었습니다.이는 삼중점이 녹는점보다 더 정확하게 재현 가능한 기준 온도를 제공하는 것으로 판단된다는 근거로 정당화되었습니다.[18]삼중점은 ±0.0001°C의 정확도로 측정할 수 있는 반면, 녹는점은 ±0.001°C에 불과합니다.[17]

1954년, 절대영도는 °C의 정의에 따라 -273.15°C로 실험적으로 결정되어 사용되었으며, 제10차 세계도량형회의(CGPM)의 결의안 3은 국제적으로 표준화된 켈빈 척도를 도입하여 삼중점을 정확히 273.15 + 0.01 = 273.16도로 정의했습니다.

1967년/1968년 제13차 CGPM의 결의안 3은 열역학적 온도의 단위 증분을 "켈빈"(Kelvin), 기호 K를 "도 켈빈"(°K)으로 대체하여 이름을 바꾸었습니다.[21][22][23]제13차 CGPM은 또한 "열역학적 온도의 단위인 켈빈은 물의 삼중점의 열역학적 온도의 분수 1/273.16과 같다"[4][24][25]고 결의 4에서 밝혔습니다.

1983년 미터가 재정의된 후, 켈빈, 두 번째, 킬로그램이 다른 단위와 관련되지 않은 유일한 SI 단위로 남게 되었습니다.

2005년에, 삼중점은 물 샘플을 구성하는 수소와 산소의 동위원소 비율에 의해 영향을 받을 수 있고, 이것이 "물 삼중점의 다른 실현 사이에서 관측된 변동성의 주요 원천 중 하나"라고 언급하면서, CGP의 위원회인 국제도량형위원회(CIPM).M은 물의 삼중점의 온도를 묘사하기 위해 켈빈의 정의는 비엔나 표준 평균 해양수에 대해 지정된 동위원소 구성을 가진 물을 의미한다고 확언했습니다.[4][26][27]

2019년 재정의

주요 기사 : 2019 SI 기준 단위 재정의
켈빈은 이제 볼츠만 상수와 줄로 고정되어 있으며, 그 자체는 세슘-133 초미세 전이 주파수와 플랑크 상수에 의해 정의됩니다.k와 k는B 모두 볼츠만 상수의 속기로 인정됩니다.

2005년 CIPM은 더 실험적으로 엄격한 방법을 사용하여 켈빈(다른 SI 단위와 함께)을 재정의하는 프로그램을 시작했습니다.특히 위원회는 볼츠만 상수가 1.3806505×10 J/K의−23 정확한 값을 갖도록 켈빈을 재정의할 것을 제안했습니다.[28]위원회는 이 프로그램이 2011년 회의에서 CGPM에 의해 채택된 시기에 맞춰 완료되기를 희망했지만, 2011년 회의에서 이 결정은 2014년 회의로 미뤄졌습니다.[29]

현재 정의의 관점에서 볼츠만 상수의 더 정확한 측정이 있을 때까지 2014년에 재정의가 더 연기되었지만 2018년 말 제26회 CGPM에서 k = 1.380649×10 J ⋅K의 값으로 최종 채택되었습니다.

과학적인 목적을 위해 사용되는 기술은 볼츠만 상수에 따라 달라지기 때문에 매우 낮고 매우 높은 온도에서의 측정이 더 정확하게 이루어질 수 있다는 것이 주된 장점입니다.그것은 또한 어떤 특정한 물질로부터도 독립적이라는 철학적인 장점을 가지고 있습니다.단위 J/K는 kg ⋅m ⋅s ⋅K와 같으며, 여기서 킬로그램, 미터 및 초는 각각 플랑크 상수, 광속 및 세슘-133 지상 상태 초미세 전이 지속 시간으로 정의됩니다.따라서 이 정의는 범용 상수에만 의존하며 이전에 실행된 물리적 아티팩트에는 의존하지 않습니다.문제는 트리플 포인트에 가까운 측정의 정확도가 떨어지는 것을 방지하는 것이었습니다.물은 여전히 273.15K(0°C)에서 얼고 [2][33]물의 삼중점은 일반적으로 사용되는 실험실 기준 온도로 계속 유지됩니다.

차이점은 재정의 전에는 물의 삼중점이 정확했고 볼츠만 상수의 측정값은 1.38064903(51)×10−23 J/K였으며 상대적인 표준 불확실성은 3.7×10이었습니다−7.[34]이후 볼츠만 상수는 정확하고 불확도는 물의 삼중점으로 전달되며 현재는 273.1600(1) K입니다.

2019년 5월 20일, 미터 협약 144주년을 맞아 공식적으로 발효되었습니다.[32][1][2][4]

실용화

색온도

참고 항목:슈테판-볼츠만 상수

켈빈은 광원의 색온도를 측정하는 데 자주 사용됩니다.색온도는 검은색 차체 라디에이터가 온도에 따른 주파수 분포 특성을 가진 빛을 방출한다는 원리에 기초하고 있습니다.온도가 약 4000 K 이하인 검은 물체는 불그스름하게 보이는 반면, 약 7500 K 이상인 물체는 푸르스름하게 보입니다.색온도는 영상 투사 및 사진 분야에서 중요하며, 이 분야에서 "주간 조명" 필름 에멀젼과 일치하려면 약 5600K의 색온도가 필요합니다.천문학에서 별의 분류와 헤르츠스프룽-러셀 도표에서의 위치는 부분적으로 유효 온도라고 알려진 표면 온도에 근거합니다.예를 들어, 태양의 광구는 IAU 2015 결의안 B3에 의해 채택된 유효 온도가 5772 K[1][2][3][4]입니다.

디지털 카메라와 사진 소프트웨어는 편집 및 설정 메뉴에서 K의 색온도를 사용하는 경우가 많습니다.단순한 가이드는 색온도가 높을수록 흰색과 파란색 색상이 강화된 이미지를 생성한다는 것입니다.색온도의 감소는 불그스름한 "따뜻한" 색이 더 지배적인 이미지를 만들어냅니다.

소음 온도의 단위로서 켈빈

주요 기사:소음 수치

전자 장치의 경우 켈빈은 소음 온도와 같은 최종 소음 바닥과 관련하여 회로의 소음을 나타내는 지표로 사용됩니다.이산 저항기 및 커패시터의 소위 Johnson-Nyquist 노이즈는 볼츠만 상수에서 유도된 열 노이즈의 한 유형이며 노이즈에 대한 프리스 공식을 사용하여 회로의 노이즈 온도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

파생 단위 및 SI 배수

주요 기사:크기(온도)순서

켈빈에서 유래된 특별한 이름을 가진 유일한 SI 유도 단위는 섭씨입니다.다른 SI 단위와 마찬가지로 켈빈도 10의 거듭제곱을 곱하는 메트릭 접두사를 추가하여 수정할 수 있습니다.

SI 켈빈 배수(K)
하위 배수 배수
가치 SI 기호 이름. 가치 SI 기호 이름.
10K−1 dK 데시켈빈 10K1 da k 데카켈빈
10K−2 cK 센티켈빈 10K2 hK 헥토켈빈
10K−3 mK 밀리켈빈 10K3 ㅋㅋ 킬로켈빈
10K−6 µK 미켈빈 10K6 MK 메가켈빈
10K−9 nK 나노켈빈 10K9 GK 기가켈빈
10K−12 pK 피코켈빈 10K12 TK 테라켈빈
10K−15 fK 펨토켈빈 10K15 PK 페타켈빈
10K−18 일케이 반란을 일으키다 10K18 EK 익살스러운
10K−21 zK 젭토켈빈 10K21 ZK 제타켈빈
10K−24 yK 요토켈빈 10K24 YK 요타켈빈
10K−27 rK 론토켈빈 10K27 RK 론나켈빈
10K−30 qK quectokelvin 10K30 QK 케타켈빈

맞춤법

SI 규약에 따르면 켈빈은 결코 도(degree)로 언급되거나 쓰이지 않습니다."켈빈"이라는 단어는 단위로 사용될 때 대문자로 사용되지 않습니다.이는 적합한 것으로 복수화되어 있습니다(예를 들어, "외부는 283 켈빈이며", "화씨 50도" 또는 "섭씨 10도"와 대조됩니다).[35][36][37]단위 기호 K는 대문자입니다.[21]켈빈[5] 경 또는 켈빈 척도를 언급할 때는 켈빈을 대문자로 쓰는 것이 일반적인 관례입니다.[38]

단위 기호 K는 코드 포인트 U+212A KELVIN SIGN에서 유니코드로 인코딩됩니다.그러나 이는 레거시 인코딩과의 호환성을 위해 제공되는 호환성 문자입니다.유니코드 표준은 대신 U+004B 라틴 대문자 K, 즉 정규 대문자 K를 사용할 것을 권장합니다. "세 개의 문자 같은 기호가 일반 문자와 표준적으로 동등하게 주어졌습니다.U+2126 ω 옴 사인, U+212A 켈빈 사인, 그리고 U+212B 옹스트롬 사인.세 가지 경우 모두 일반 편지를 사용해야 합니다."[39]

참고 항목

메모들

  1. ^ 예를 들어, 1920년대와 1950년대의 브리태니커 백과사전 판본들은 "Planets"라는 기사를 예로 들 수 있습니다.

참고문헌

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서지학

외부 링크

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