Цельсий в Кельвины

Перевод из градусов Цельсия в Кельвина — это процесс преобразования значений температуры из одной системы измерения в другую. Данная операция часто используется в физике, химии, метеорологии и многих других научных и практических областях. Понимание принципов такого преобразования необходимо для корректной интерпретации температурных данных в различных системах измерения.

Что такое шкала Цельсия?

Шкала Цельсия (также известная как стоградусная шкала) — это температурная шкала, в которой точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении соответствует 0°C, а точка кипения воды — 100°C. Эта шкала названа в честь шведского астронома Андерса Цельсия, предложившего её в 1742 году.

Градус Цельсия является одной из наиболее распространённых единиц измерения температуры в повседневной жизни. Большинство стран мира используют шкалу Цельсия для метеорологических наблюдений, в бытовых термометрах, кулинарии и многих других сферах.

Что такое шкала Кельвина?

Шкала Кельвина — это абсолютная термодинамическая шкала температур, где нулевая точка (0 K) соответствует абсолютному нулю — теоретической температуре, при которой прекращается тепловое движение частиц вещества. Названа в честь британского физика и инженера Уильяма Томсона (лорда Кельвина).

Важно понимать, что в шкале Кельвина нет отрицательных значений, поскольку невозможно достичь температуры ниже абсолютного нуля. Единица измерения этой шкалы — кельвин (обозначается K) — является одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).

Формулы перевода из градусов Цельсия в Кельвины

Для перевода температуры из градусов Цельсия в кельвины используется простая формула:

Где:

• T(K) — температура в кельвинах
• T(°C) — температура в градусах Цельсия
• 273.15 — постоянная величина, соответствующая разнице между нулём шкалы Цельсия и абсолютным нулём

Для обратного преобразования из кельвинов в градусы Цельсия используется формула:

Важно отметить, что размер одного градуса в шкале Цельсия равен размеру одного кельвина. Разница между шкалами заключается только в точке отсчёта.

Примеры перевода из градусов Цельсия в Кельвины

Рассмотрим несколько простых примеров перевода температуры из градусов Цельсия в кельвины, используя формулу T(K) = T(°C) + 273.15:

Перевод температуры 0°C в кельвины. Таким образом, температура замерзания воды составляет 273.15 K.

Перевод температуры 25°C (комнатная температура) в кельвины. Комнатная температура соответствует примерно 298 K.

Перевод температуры 100°C (точка кипения воды) в кельвины Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 373.15 K.

Перевести температуру -40°C в кельвины. Заметим, что даже при отрицательных значениях по Цельсию температура в кельвинах остаётся положительной.

Перевести температуру -273.15°C в кельвины. Это абсолютный нуль температуры, теоретический минимум для шкалы Кельвина.

Средняя температура на поверхности Солнца составляет около 5505°C. Перевести эту температуру в кельвины. Средняя температура на поверхности Солнца составляет около 5778 K.

Температура жидкого азота составляет -195.8°C. Перевести эту температуру в кельвины. Жидкий азот имеет температуру около 77 K.

При адиабатическом расширении газа его температура снизилась с 127°C до -73°C. Определить изменение температуры в кельвиИзменение температуры:

$T_1(K) = 127°C + 273.15 = 400.15,K$,

$T_2(K) = -73°C + 273.15 = 200.15,K$.

Изменение температуры: $\Delta T = T_2 - T_1 = 200.15,K - 400.15,K = -200,K$. Температура снизилась на 200 K.

Средняя температура в ядре Земли оценивается примерно в 5700°C. Выразить эту температуру в кельвинах и сравнить с температурой на поверхности Солнца. $T(K) = 5700°C + 273.15 = 5973.15,K$. Температура в ядре Земли (около 5973 K) оказывается сопоставимой с температурой на поверхности Солнца (около 5778 K).

Для эксперимента по сверхпроводимости необходимо охладить образец до температуры -269.15°C. Определить эту температуру в кельвинах и найти, насколько она выше абсолютного нуля. $T(K) = -269.15°C + 273.15 = 4,K$. Температура образца составляет 4 K, что на 4 кельвина выше абсолютного нуля.

Практическое применение перевода температур

Перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины имеет множество практических применений в различных областях науки и техники:

• Физика и химия: В научных расчётах, особенно в термодинамике, температура обычно выражается в кельвинах. Например, уравнение состояния идеального газа (PV = nRT) использует абсолютную температуру в кельвинах.
• Астрономия: Температура звёзд, планет и межзвёздного пространства обычно указывается в кельвинах. Это позволяет сравнивать температуры объектов, имеющих огромный разброс значений: от нескольких K в космическом пространстве до миллионов K в ядрах звёзд.
• Криогеника: При работе с очень низкими температурами (близкими к абсолютному нулю) использование шкалы Кельвина более удобно, так как она не имеет отрицательных значений.
• Метеорология: Хотя прогнозы погоды обычно даются в градусах Цельсия, некоторые метеорологические модели используют кельвины для внутренних расчётов.
• Спектроскопия: В спектральном анализе цветовая температура часто выражается в кельвинах, например, цветовая температура источников света.
• Материаловедение: Исследование свойств материалов при различных температурах часто требует работы с абсолютной шкалой Кельвина, особенно при низких температурах, где проявляются квантовые эффекты.

Частые ошибки при переводе температур

При переводе температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина (и наоборот) могут возникать различные ошибки. Вот наиболее распространённые из них:

• Неправильное значение константы: Иногда используют округлённое значение 273 вместо точного 273.15, что может привести к погрешностям в расчётах.
• Ошибка знака: При преобразовании отрицательных температур по Цельсию в кельвины необходимо быть особенно внимательным с математическими операциями.
• Путаница с единицами измерения: Иногда кельвины ошибочно обозначают как «°K» (с символом градуса), хотя правильное обозначение просто «K».
• Неучёт разницы между изменением температуры и абсолютным значением: Изменение температуры на 1°C равно изменению на 1 K, но абсолютные значения отличаются на 273.15.
• Ошибка в интерпретации: В некоторых контекстах (например, в технических спецификациях) может быть неясно, в какой именно шкале указана температура, что приводит к ошибкам в интерпретации данных.

Альтернативные температурные шкалы

Помимо шкал Цельсия и Кельвина, существуют и другие температурные шкалы, которые используются в различных странах и областях:

• Шкала Фаренгейта (°F): Широко используется в США и некоторых других странах. В этой шкале вода замерзает при 32°F и кипит при 212°F при нормальном атмосферном давлении.
• Шкала Реомюра (°Ré): Историческая шкала, в которой точка замерзания воды соответствует 0°Ré, а точка кипения — 80°Ré. Сейчас практически не используется.
• Шкала Ранкина (°R): Абсолютная шкала, аналогичная шкале Кельвина, но с размером градуса как у шкалы Фаренгейта. Используется в некоторых областях инженерии в США.
• Шкала Делиля (°De): Историческая шкала, в которой точка кипения воды соответствует 0°De, а точка замерзания — 150°De. Была популярна в России в XVIII веке.

Для перевода температуры между различными шкалами существуют специальные формулы. Например, для перевода из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта используется формула:

А для перевода из кельвинов в градусы Фаренгейта:

История температурных шкал

История измерения температуры и создания различных температурных шкал насчитывает несколько столетий. Понимание этой истории помогает лучше осознать значимость преобразования между шкалами Цельсия и Кельвина.

Шкала Цельсия: от обратной к современной

Шкала Цельсия была предложена шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году. Интересно, что изначально шкала Цельсия была «обратной» по сравнению с современной: точка кипения воды была обозначена как 0°, а точка замерзания — как 100°. После смерти Цельсия шкала была «перевёрнута» Карлом Линнеем, приняв привычный нам вид.

До середины XX века эта шкала часто называлась «стоградусной», и только в 1948 году на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение официально назвать её в честь Цельсия.

Абсолютная шкала Кельвина

Шкала Кельвина была предложена британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Томсон разработал концепцию абсолютной температурной шкалы, основанной на термодинамических принципах.

Изначально Кельвин определил свою шкалу, используя те же фиксированные точки, что и в шкале Цельсия (замерзание и кипение воды), но установил нулевую точку на уровне −273.15°C, что соответствует абсолютному нулю. До 1967 года единица этой шкалы называлась «градус Кельвина» (°K), но затем была переименована просто в «кельвин» (K).

Объединение шкал в научной практике

В 1954 году на 10-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято определение термодинамической температурной шкалы с тройной точкой воды (0.01°C) в качестве основной опорной точки, которой присвоено значение 273.16 K. Это установило однозначную связь между шкалами Цельсия и Кельвина.

В 2019 году были внесены изменения в определение кельвина: вместо привязки к физическим свойствам вещества (тройной точке воды), кельвин стал определяться через фиксированное численное значение постоянной Больцмана.

Интересные факты о температурных шкалах

Шкалы Цельсия и Кельвина имеют множество интересных особенностей и связанных с ними фактов. Вот некоторые из них:

• Абсолютный нуль: Температура −273.15°C (0 K) представляет собой абсолютный нуль — теоретический предел охлаждения. Согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль недостижим, однако учёным удалось подойти к нему очень близко, охладив вещество до температуры в несколько нанокельвинов.
• Одинаковый размер градуса: Один кельвин равен одному градусу Цельсия по величине изменения температуры, что делает переход между шкалами особенно простым.
• Тройная точка воды: Долгое время кельвин определялся через тройную точку воды — состояние, при котором вода одновременно существует в твёрдом, жидком и газообразном состояниях и имеет температуру 0.01°C или 273.16 K.
• Обозначения в формулах: В научной литературе температура в кельвинах часто обозначается просто буквой T, в то время как температура в градусах Цельсия обозначается t или θ.
• Самая высокая температура: Учёные предполагают, что максимальная возможная температура во Вселенной (температура Планка) составляет около 1.416×10^32 K. Это колоссальное число, соответствующее температуре в первые моменты после Большого взрыва.
• Отрицательная абсолютная температура: В некоторых квантовых системах возможны состояния с так называемой «отрицательной абсолютной температурой». Такие состояния на самом деле горячее бесконечно высокой положительной температуры.
• Международная температурная шкала: Для практических измерений используется Международная температурная шкала (МТШ-90), которая определяет стандартные точки и процедуры для калибровки температурных приборов и обеспечивает согласованность с термодинамической шкалой Кельвина.

Вопросы и ответы о переводе температур

Почему важно знать, как переводить температуру из градусов Цельсия в кельвины?

Перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины необходим для научных расчётов, особенно в физике и химии, где многие формулы и законы используют абсолютную температуру. Также это важно для понимания научной литературы, где температура часто указывается в кельвинах.

Какая температура в кельвинах соответствует комнатной температуре?

Стандартная комнатная температура (20-25°C) в кельвинах составляет приблизительно 293-298 K. Чаще всего в расчётах используется значение 293.15 K, что соответствует 20°C.

Может ли температура в кельвинах быть отрицательной?

Нет, температура в кельвинах не может быть отрицательной. Нуль кельвинов (0 K) соответствует абсолютному нулю — теоретическому минимуму температуры, при котором прекращается тепловое движение частиц. Согласно законам термодинамики, невозможно достичь температуры ниже абсолютного нуля.

Какая температура является самой низкой, достигнутой в лабораторных условиях?

Учёным удалось достичь температуры порядка нескольких нанокельвинов (10^-9 K) в экспериментах с ультрахолодными атомами. Это чрезвычайно близко к абсолютному нулю, но всё ещё не достигает его, что согласуется с третьим законом термодинамики.

Почему в формуле перевода используется число 273.15, а не 273?

Число 273.15 представляет собой точное смещение между шкалами Цельсия и Кельвина, определённое исходя из того, что тройная точка воды установлена как 273.16 K (или 0.01°C). Использование округлённого значения 273 может привести к небольшим погрешностям в научных расчётах.

Как связаны шкалы Цельсия и Кельвина исторически?

Шкала Кельвина была предложена Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году как абсолютная шкала, основанная на термодинамических принципах. За нулевую точку был принят абсолютный нуль, который на шкале Цельсия соответствует приблизительно -273.15°C. Размер градуса в шкале Кельвина был выбран идентичным размеру градуса Цельсия.

Какие единицы измерения температуры используются в Международной системе единиц (СИ)?

В Международной системе единиц (СИ) основной единицей измерения термодинамической температуры является кельвин (K). Градус Цельсия (°C) допускается к использованию наряду с кельвином и связан с ним соотношением: температура в градусах Цельсия равна температуре в кельвинах минус 273.15.

Где используется шкала Кельвина в повседневной жизни?

Хотя в повседневной жизни чаще используется шкала Цельсия, шкала Кельвина встречается в некоторых областях, таких как:

• Спецификации цветовой температуры источников света (например, лампы с цветовой температурой 2700 K, 4000 K, 6500 K);
• Научно-популярная литература и образовательные программы, особенно по астрономии и физике;
• Технические спецификации некоторых приборов и материалов.