Кельвины в Цельсии

Перевод температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия — это процесс преобразования значения температуры, выраженной в кельвинах (К), в эквивалентное значение в градусах Цельсия (°C). Данный процесс представляет собой одно из фундаментальных преобразований в термодинамике и имеет широкое применение в науке, инженерии, метеорологии и повседневной жизни.

Для измерения температуры человечество разработало различные шкалы, наиболее распространёнными из которых являются шкала Цельсия, шкала Кельвина и, в некоторых странах, шкала Фаренгейта. Каждая из этих шкал имеет свои особенности и области применения.

Шкала Кельвина, названная в честь британского физика лорда Уильяма Томсона (барона Кельвина), является абсолютной температурной шкалой, где нулевая точка соответствует абсолютному нулю — теоретически наименьшей возможной температуре, при которой прекращается тепловое движение частиц. Шкала Цельсия, созданная шведским астрономом Андерсом Цельсием, привязана к точкам замерзания и кипения воды при стандартном атмосферном давлении.

В России, как и в большинстве стран мира, для повседневных измерений используется шкала Цельсия. Однако в научных исследованиях, инженерных расчётах и многих областях промышленности необходимо понимать и использовать перевод из кельвинов в градусы Цельсия. Особенно это важно в таких отраслях, как криогеника, теплотехника, металлургия, аэрокосмическая промышленность и атомная энергетика.

Перевод между этими шкалами основан на фиксированном соотношении, где один кельвин равен одному градусу Цельсия по величине, но отличается начальной точкой отсчёта. Абсолютный ноль (0 К) соответствует приблизительно -273,15°C, что и определяет формулу для перевода между этими двумя шкалами.

Формула перевода из Кельвина в Цельсий

Формула для перевода температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия довольно проста и основана на разнице в начальных точках этих двух шкал:

Основная формула перевода:

где:

• $t_{°C}$ — температура в градусах Цельсия;
• $t_{K}$ — температура в кельвинах.

Эта формула отражает тот факт, что шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля (0 К), который равен -273,15°C по шкале Цельсия. Таким образом, чтобы перевести температуру из кельвинов в градусы Цельсия, необходимо просто вычесть 273,15 из значения в кельвинах.

Соответственно, для перевода температуры из градусов Цельсия в кельвины используется обратная формула:

Важно отметить, что размер единицы измерения в обеих шкалах одинаков — один кельвин равен одному градусу Цельсия. Различие заключается только в точке отсчёта — шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, а шкала Цельсия привязана к точке замерзания воды (0°C).

Примеры перевода из Кельвина в Цельсий

Рассмотрим несколько простых примеров перевода температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия с использованием формулы $t_{°C} = t_{K} - 273{,}15$:

Перевод 300 К в градусы Цельсия:

Перевод 273,15 К в градусы Цельсия:

Перевод 373,15 К в градусы Цельсия:

Перевести 0 К в градусы Цельсия:

Перевести 310 К в градусы Цельсия:

Температура на поверхности Солнца составляет примерно 5778 К. Перевести эту температуру в градусы Цельсия:

В ядре Юпитера температура достигает примерно 24000 К. Выразить эту температуру в градусах Цельсия:

Температура межзвёздного газа в некоторых областях космоса может составлять всего 3 К. Какова эта температура по шкале Цельсия?

При сверхпроводящем переходе ниобия температура составляет 9,26 К. Перевести эту температуру в градусы Цельсия:

Температура в центре Земли оценивается примерно в 6000 К. Какова эта температура по шкале Цельсия?

Особенности и применение перевода температуры

Перевод температуры из Кельвина в Цельсий играет важную роль во многих областях науки и техники. Давайте рассмотрим некоторые особенности и сферы применения этого преобразования.

Научные исследования

В научных исследованиях, особенно в области физики, химии и астрономии, часто используется шкала Кельвина как абсолютная шкала температуры. Однако для интерпретации результатов и их сравнения с повседневным опытом учёные регулярно переводят значения в градусы Цельсия.

Например, в термодинамике многие уравнения используют абсолютную температуру в кельвинах, но для практического понимания результатов может потребоваться их представление в градусах Цельсия.

Инженерные расчёты

Инженеры часто работают с обеими шкалами в зависимости от контекста. В теплотехнике, криогенике и других областях перевод между шкалами Кельвина и Цельсия является рутинной операцией.

Расчёты эффективности тепловых машин, охлаждающих систем, теплообменников и других инженерных устройств могут требовать использования обеих шкал и перевода между ними.

Метеорология и климатология

В метеорологии и климатологии температура обычно измеряется в градусах Цельсия, но для некоторых расчётов может использоваться шкала Кельвина. Например, при расчёте радиационного баланса Земли или при моделировании атмосферных процессов.

Важно отметить, что при работе с разницей температур (дельта T) значения в кельвинах и градусах Цельсия численно равны, поскольку единица измерения в обеих шкалах одинакова.

Бытовое применение

В повседневной жизни шкала Цельсия гораздо более распространена, чем шкала Кельвина. Тем не менее, понимание взаимосвязи между этими шкалами может быть полезным для общего образования и в некоторых специализированных контекстах.

Например, при изучении принципов работы холодильников, кондиционеров или при анализе научных новостей и публикаций.

Интересные факты о шкалах Кельвина и Цельсия

Температурные шкалы Кельвина и Цельсия имеют богатую историю и множество интересных нюансов. Вот некоторые увлекательные факты об этих шкалах:

История шкал Кельвина и Цельсия

История шкалы Цельсия

Шкала Цельсия была предложена шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году. Изначально Цельсий определил точку кипения воды как 0 градусов, а точку замерзания как 100 градусов — обратно современной шкале. Вскоре после смерти Цельсия, в 1744 году, шведский ботаник Карл Линней предложил обратить шкалу, установив точку замерзания воды как 0 градусов, а точку кипения как 100 градусов, что соответствует современной шкале Цельсия.

Интересно, что изначально эта температурная шкала называлась «стоградусной» (от латинского «центум» — сто). Термин «градус Цельсия» вошёл в употребление позже, в 1948 году, на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам.

Шкала Цельсия получила широкое распространение во всём мире благодаря своей практичности и удобству использования в повседневной жизни. Она стала стандартом во многих странах, где метрическая система является основной.

История шкалы Кельвина

Шкала Кельвина была предложена британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (позже получившим титул лорда Кельвина) в 1848 году. Работая над исследованиями в области термодинамики, Томсон осознал необходимость создания абсолютной температурной шкалы, начинающейся с теоретически наименьшей возможной температуры — абсолютного нуля.

Эта идея имела глубокие теоретические корни. Уже в начале XIX века французский физик и инженер Сади Карно заложил основы второго закона термодинамики, который намекал на существование некоей предельной температуры. А в 1848 году, опираясь на работы Карно, Томсон предложил концепцию абсолютной температурной шкалы.

В 1954 году на 10-й Генеральной конференции по мерам и весам единица измерения этой шкалы получила название «кельвин» и обозначение K (без знака градуса). Тогда же кельвин был определён как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Это определение оставалось в силе до 2018 года.

В 2018 году на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято новое определение кельвина: теперь он определяется через фиксированное численное значение постоянной Больцмана, равное 1,380649×10^-23 Дж·K^-1.

Связь между шкалами

История взаимосвязи между шкалами Кельвина и Цельсия тесно переплетена с развитием термодинамики. Когда Уильям Томсон предложил свою абсолютную шкалу, он определил её единицу измерения равной одному градусу Цельсия. Это означало, что изменение температуры на один кельвин эквивалентно изменению на один градус Цельсия.

Значение абсолютного нуля в градусах Цельсия неоднократно уточнялось по мере совершенствования методов измерения. В 1954 году, когда кельвин был официально признан единицей измерения в Международной системе единиц (СИ), значение абсолютного нуля было установлено как -273,15°C.

Таким образом, история перевода между градусами Кельвина и Цельсия — это история научного поиска и совершенствования понимания природы тепла и температуры.

Факты о шкале Кельвина

1. Единственная шкала без отрицательных значений. Поскольку шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, на ней невозможны отрицательные температуры. Это делает её особенно удобной для научных расчётов.
2. Единица без градуса. Кельвин — единственная широко используемая температурная единица, которая не использует символ градуса (°). Правильно писать «273 K», а не «273°K».
3. Абсолютный ноль недостижим. Третий закон термодинамики постулирует, что абсолютный ноль (0 K) недостижим за конечное число шагов. Учёные могут приблизиться к нему, но никогда не достигнут его полностью.
4. Рекордно низкая температура. Самая низкая температура, достигнутая в лабораторных условиях, составляет около 0,000000000038 K (38 пикокельвинов). Это было достигнуто с использованием лазерного охлаждения и магнитных ловушек.
5. Новое определение. До 2018 года кельвин определялся через тройную точку воды, но сейчас он определяется через постоянную Больцмана, что сделало определение более фундаментальным и независимым от физических артефактов.

Факты о шкале Цельсия

1. Перевёрнутая история. Как уже упоминалось, первоначально шкала Цельсия была «перевёрнутой» — точка кипения воды была обозначена как 0°, а точка замерзания как 100°. Карл Линней перевернул её в современный вид.
2. Международный стандарт. Шкала Цельсия используется практически во всём мире для повседневных измерений температуры, за исключением нескольких стран, включая США, где всё ещё широко используется шкала Фаренгейта.
3. Температура тела. Нормальная температура человеческого тела составляет около 36,6°C, что соответствует примерно 309,75 K. Это один из примеров, когда шкала Цельсия кажется более интуитивно понятной для повседневного использования.
4. Тройная точка воды. Тройная точка воды, при которой сосуществуют все три фазы воды (твёрдая, жидкая и газообразная), составляет точно 0,01°C или 273,16 K. Эта точка долгое время была ключевой в определении единиц температуры.
5. Экстремальные температуры на Земле. Самая высокая зарегистрированная температура на Земле составляет 56,7°C (329,85 K), измеренная в Долине Смерти, США, а самая низкая — -89,2°C (183,95 K), зарегистрированная на станции Восток в Антарктиде.

1. Российский вклад в термодинамику. Российские учёные внесли значительный вклад в развитие термодинамики. Например, Пётр Леонидович Капица, лауреат Нобелевской премии по физике, провёл фундаментальные исследования в области низких температур, работая как в СССР, так и в Кембридже. Его работы по сверхтекучести гелия при температурах около 2,17 K (−270,98°C) сделали революцию в понимании квантовых жидкостей.
2. Температурные контрасты России. Россия занимает первое место в мире по размаху годовых температурных колебаний. В Верхоянске (Якутия) разница между абсолютным максимумом (+37,3°C или 310,45 K) и абсолютным минимумом (−67,8°C или 205,35 K) составляет 105,1°C или 105,1 K — это один из самых больших температурных контрастов на планете.
3. Криогенная индустрия России. Россия является одним из мировых лидеров в области криогеники — науки и техники получения и использования низких температур (ниже 120 K или −153,15°C). Российские технологии сжижения газов, особенно для производства СПГ, используют точные измерения температуры в кельвинах для обеспечения эффективности процессов.
4. Вечная мерзлота. Более 60% территории России покрыто вечной мерзлотой — грунтом, который остаётся промёрзшим в течение двух или более лет подряд. Температура мерзлоты обычно находится в диапазоне от 271 K до 273 K (от −2°C до 0°C), и даже небольшое повышение температуры может привести к её таянию, что создаёт серьёзные проблемы для инфраструктуры.
5. Метрологические стандарты. Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге является одним из ведущих центров метрологии в России и поддерживает национальные эталоны единицы температуры как в шкале Кельвина, так и в шкале Цельсия, обеспечивая точность измерений во всех отраслях российской экономики.
6. Температурные рекорды Москвы. В столице России самая высокая зарегистрированная температура составила +38,2°C (311,35 K) в июле 2010 года, а самая низкая −42,2°C (230,95 K) в январе 1940 года. Разница между этими экстремумами составляет 80,4°C (80,4 K).
7. Байкал и температура. Озеро Байкал, глубочайшее озеро в мире, имеет уникальный температурный режим. Средняя температура поверхности воды летом составляет около 8-9°C (281-282 K), что значительно холоднее, чем в других озёрах на той же широте. А температура воды на глубине ниже 250 метров круглый год остаётся практически постоянной — около 3,5-4°C (276,5-277 K).

Интересные соответствия между шкалами

1. Точка замерзания воды: 0°C = 273,15 K
2. Точка кипения воды: 100°C = 373,15 K
3. Комнатная температура: ~20-25°C = ~293-298 K
4. Температура человеческого тела: ~36,6°C = ~309,75 K
5. Температура поверхности Солнца: ~5505°C = ~5778 K
6. Температура поверхности Луны (день): ~127°C = ~400 K
7. Температура поверхности Луны (ночь): ~-173°C = ~100 K

Практические аспекты перевода из Кельвина в Цельсий

Перевод температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия — это простая математическая операция, но существуют некоторые практические аспекты, которые полезно учитывать при выполнении этого преобразования.

Точность перевода

При переводе температуры из кельвинов в градусы Цельсия важно сохранять соответствующую точность. Стандартно используемое значение для константы перевода — 273,15 — имеет пять значащих цифр. Однако в зависимости от контекста и требуемой точности, могут использоваться приближённые значения:

• Для приблизительных расчётов: 273
• Для стандартных расчётов: 273,15
• Для высокоточных научных исследований: 273,15...

При работе с очень большими или очень маленькими температурами относительная погрешность, вносимая округлением константы, становится менее значимой.

Контекст использования

В научных и инженерных контекстах выбор между шкалами Кельвина и Цельсия часто обусловлен традициями конкретной области и практическими соображениями:

• Термодинамика: преимущественно шкала Кельвина
• Метеорология: преимущественно шкала Цельсия
• Криогенная техника: часто обе шкалы
• Бытовые измерения: почти всегда шкала Цельсия (за исключением некоторых стран)

При представлении результатов исследований или технических расчётов полезно указывать температуру в обеих шкалах, если это может улучшить понимание информации различными аудиториями.

Округление результатов

При переводе и округлении температур следует учитывать значимость каждой цифры и контекст использования. Например:

• Для бытовых измерений обычно достаточно точности до 0,1°C или даже 1°C
• Для медицинских измерений может требоваться точность до 0,1°C
• Для научных экспериментов может потребоваться точность до 0,001°C и выше

При округлении результатов перевода используйте правила математического округления и сохраняйте соответствующее количество значащих цифр.

Вопросы и ответы

Давайте рассмотрим некоторые часто задаваемые вопросы о переводе температуры из градусов Кельвина в градусы Цельсия.

Почему шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля?

Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля потому, что это теоретически наименьшая возможная температура во Вселенной. При абсолютном нуле (0 K) тепловое движение частиц прекращается (с учётом ограничений квантовой механики), и энергия системы достигает минимума. Это делает шкалу Кельвина абсолютной, поскольку она не допускает отрицательных значений и имеет естественную начальную точку.

Какая шкала точнее: Кельвина или Цельсия?

Шкалы Кельвина и Цельсия имеют одинаковый размер единицы измерения — изменение на 1 K равно изменению на 1°C. Поэтому точность измерения температуры не зависит от выбора шкалы. Разница лишь в точке отсчёта: шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, а шкала Цельсия — с точки замерзания воды. Выбор шкалы зависит от контекста и удобства использования в конкретной ситуации.

Почему учёные предпочитают использовать шкалу Кельвина?

Учёные часто предпочитают шкалу Кельвина по нескольким причинам:

• Она является абсолютной шкалой, начинающейся с физически значимой точки — абсолютного нуля;
• Использование абсолютной шкалы упрощает многие формулы и уравнения в термодинамике и других областях физики;
• Отсутствие отрицательных значений устраняет некоторые потенциальные источники путаницы в расчётах;
• Многие фундаментальные законы физики (например, закон идеального газа) записываются проще в терминах абсолютной температуры.

Как используется шкала Кельвина в российской науке и промышленности?

В российской науке и промышленности шкала Кельвина широко применяется в нескольких ключевых областях. В фундаментальных научных исследованиях, проводимых в институтах Российской академии наук, шкала Кельвина используется как стандарт при термодинамических расчётах. В криогенной технике, особенно в производстве сжиженного природного газа (СПГ), важном для российской экономики секторе, температура часто измеряется в кельвинах. В космической отрасли России, в том числе в работе Роскосмоса, шкала Кельвина используется при расчётах тепловых режимов космических аппаратов. Также в российских стандартах метрологии, таких как ГОСТ, часто используются обе шкалы — Кельвина и Цельсия — для обеспечения соответствия международным нормам.

Какие экстремальные температуры были зарегистрированы в России, и как они выражаются в кельвинах?

Россия известна своими температурными экстремумами. Самая низкая зарегистрированная температура в России была отмечена в Оймяконе, Якутия, и составила -71,2°C, что равняется приблизительно 201,95 K. Это делает Оймякон одним из полюсов холода северного полушария. Самая высокая температура, зарегистрированная на территории России, составила +45,4°C (318,55 K) и была отмечена в станице Утта, Калмыкия. Перевод этих экстремальных температур в кельвины подчёркивает огромный температурный диапазон, с которым сталкивается страна — от криогенных 201,95 K до жарких 318,55 K, что составляет разницу в 116,6 K.

Используется ли шкала Кельвина в российском образовании?

Да, шкала Кельвина является частью учебной программы по физике в российских школах и вузах. В средней школе учащиеся знакомятся с понятием абсолютной температуры и шкалой Кельвина обычно в 8-м классе при изучении молекулярно-кинетической теории. В высших учебных заведениях, особенно на физических, инженерных и химических факультетах, шкала Кельвина используется постоянно при изучении термодинамики, статистической физики, теплотехники и других дисциплин. В ряде российских технических вузов, таких как МГТУ им. Баумана или МИФИ, студенты регулярно выполняют лабораторные работы, где измерения производятся в кельвинах и требуется их перевод в градусы Цельсия.

Как запомнить формулу перевода из Кельвина в Цельсий?

Формулу перевода $t_{°C} = t_{K} - 273{,}15$ можно запомнить, понимая физический смысл: шкала Цельсия сдвинута относительно шкалы Кельвина на 273,15 единиц вверх. Абсолютный ноль (0 K) соответствует -273,15°C. Также помогает запомнить, что точка замерзания воды (0°C) соответствует 273,15 K.

Как климатические изменения в России оцениваются с использованием температурных шкал?

В исследованиях климатических изменений в России используются обе шкалы в зависимости от контекста. Повседневные метеорологические наблюдения и коммуникация с общественностью ведутся в градусах Цельсия. Например, сообщается, что среднегодовая температура в России повышается примерно на 0,47°C за десятилетие, что быстрее, чем глобальное среднее значение. Однако в научных исследованиях климата и моделировании, особенно при расчётах радиационного баланса, теплообмена в атмосфере и океане, часто используется шкала Кельвина. Российские учёные из Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и других научных центров при моделировании климатических процессов используют абсолютную температуру, так как многие уравнения теплофизики и термодинамики требуют использования кельвинов.

Где в повседневной жизни можно встретить температуру в кельвинах?

В повседневной жизни шкала Кельвина используется редко, но её можно встретить в нескольких контекстах:

• В спецификациях некоторых электронных устройств, особенно в разделах, касающихся термических характеристик;
• В научно-популярной литературе и документальных фильмах о космосе и физике;
• В спецификациях осветительных приборов, где цветовая температура часто указывается в кельвинах (например, «тёплый белый свет» — около 3000 K, «холодный белый свет» — около 6500 K);
• В некоторых учебных контекстах, где изучаются основы физики и термодинамики.

Какая связь между градусом Кельвина и джоулем?

Кельвин и джоуль связаны через постоянную Больцмана (k), которая определяет соотношение между температурой системы и кинетической энергией её частиц. Постоянная Больцмана имеет размерность энергии, делённой на температуру: k = 1,380649×10^-23 Дж·K^-1. Это означает, что температура в кельвинах может быть интерпретирована как мера средней кинетической энергии частиц в системе. Умножение температуры в кельвинах на постоянную Больцмана даёт энергию в джоулях, соответствующую среднему тепловому движению одной частицы.