Шкала Кельвина и шкала Цельсия являются двумя из самых распространенных систем измерения температуры. Оба этих метода измерения температуры имеют свои преимущества и используются в разных областях науки и технологии. Несмотря на то, что оба метода основаны на одинаковых физических принципах, они имеют некоторые важные отличия, которые следует учитывать при использовании в научных и инженерных расчетах.
Одно из ключевых различий между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия заключается в их нулевой точке. На шкале Кельвина нулевая точка, также известная как абсолютный ноль, равна -273,15°C. Это самая низкая температура, при которой молекулы и атомы не совершают никаких движений. Шкала Цельсия, в свою очередь, имеет нулевую точку равную 0°C, которая примерно соответствует температуре замерзания воды.
Еще одно важное отличие между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия состоит в их шаге измерения. На шкале Цельсия единица измерения составляет 1 градус Цельсия, когда на шкале Кельвина шаг измерения составляет 1 градус Кельвина. Это означает, что шкала Кельвина является абсолютной, то есть, величина теплового движения вещества растет прямо пропорционально повышению температуры.
История развития
Шкала Кельвина и шкала Цельсия были разработаны различными учеными в разное время и имеют свою историю.
Шкала Цельсия была предложена астрономом и физиком Андерсом Цельсием в 1742 году. Он основал свою шкалу на двух точках — температуре замерзания воды (0 градусов) и температуре кипения воды (100 градусов), разделив этот интервал на 100 равных частей.
Шкала Кельвина была предложена физиком Уильямом Томсоном, более известным как лорд Кельвин, в конце XIX века. Он предложил новую шкалу, основанную на абсолютной нулевой точке — минимальной возможной температуре. Шкала Кельвина включает только положительные значения температуры и имеет единицу измерения «кельвин».
В отличие от шкалы Цельсия, где 0 градусов соответствует замерзанию воды, на шкале Кельвина абсолютный ноль соответствует полному отсутствию тепла, и это самая низкая возможная температура.
Определение нуля
Одно из основных различий между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия заключается в способе определения нулевой точки.
| Шкала Кельвина | Шкала Цельсия |
|---|---|
| Абсолютный ноль | Температура замерзания воды |
| На шкале Кельвина абсолютный ноль представляет минимально возможную температуру, которая равна 0 K. При этой температуре молекулы не обладают энергией движения, и все тело абсолютно неподвижно. | Шкала Цельсия определяет нулевую точку как температуру замерзания свободной воды, которая равна 0°С. При этой температуре молекулы воды перестают двигаться и образуют кристаллическую решетку. |
Таким образом, шкала Кельвина определяет абсолютный ноль, а шкала Цельсия — температуру замерзания воды, что является ключевым различием между ними.
Установление точек кипения и замерзания воды
Для установления точек кипения и замерзания воды на шкалах Кельвина и Цельсия необходимо провести определенные эксперименты.
Для определения точки кипения воды на шкале Кельвина используется термодинамическая техника, основанная на закономерностях изменения давления и температуры. Давление насыщенного пара воды при точке кипения равно 1 атмосфере, а абсолютная температура точки кипения равна 373.15 K (килокельвинам).
Для определения точки замерзания воды на шкале Кельвина также используется термодинамическая техника. Давление насыщенной воды при точке замерзания составляет 1 атмосферу, а абсолютная температура точки замерзания равна 273.15 K (килокельвинам).
Для определения точек кипения и замерзания воды на шкале Цельсия применяются смесовые растворы воды и других веществ.
Так, для точки кипения воды применяют смесь, в которой находится вода и бензол, а для точки замерзания воды — смесь воды и пирофосфата натрия.
| Точка | Шкала Кельвина | Шкала Цельсия |
|---|---|---|
| Точка кипения воды | 373.15 К | 100 °C |
| Точка замерзания воды | 273.15 К | 0 °C |
Таким образом, точки кипения и замерзания воды на шкалах Кельвина и Цельсия могут быть определены с помощью специальных экспериментов, позволяющих установить соответствующие значения температуры воды на каждой из шкал.
Перевод из одной шкалы в другую
Переход от шкалы Цельсия к шкале Кельвина может быть выполнен с помощью формулы:
K = C + 273.15
где К — значение температуры в Кельвинах, а C — значение температуры в Цельсиях. Эта формула позволяет нам добавить 273,15 к температуре в градусах Цельсия, чтобы получить значение в Кельвинах.
Например, для перевода температуры 25 градусов Цельсия в Кельвины, мы применяем формулу следующим образом:
K = 25 + 273.15 = 298.15
Таким образом, 25 градусов Цельсия соответствуют 298,15 Кельвина.
Физическое обоснование
Различие между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия основано на физических принципах, которые определяют термодинамическую температуру. Оба шкалы были разработаны на основе свойств таких физических величин, как объем и давление газовых веществ.
Шкала Цельсия основывается на феномене изменения объема газа при изменении его температуры. Температура 0° по шкале Цельсия соответствует температуре, при которой объем газа при стандартном атмосферном давлении равен нулю. Температуры ниже 0° отображаются отрицательными числами, а температуры выше 0° — положительными числами.
Шкала Кельвина основана на абсолютной нулевой температуре, при которой молекулы газового вещества прекращают свои тепловые движения. Эта температура равна -273,15 °C и соответствует 0 К по шкале Кельвина. Температура на шкале Кельвина является абсолютной и не может быть отрицательной.
Таким образом, шкала Кельвина представляет собой абсолютную шкалу температуры, где 0 К соответствует абсолютному нулю, а шкала Цельсия является относительной шкалой, где 0° соответствует изменению объема газа при определенных условиях.
Применение в науке и технике
Шкала Кельвина нашла широкое применение в научных и технических областях, где требуется точное измерение температуры. Она используется как стандартная шкала в физике, астрономии, химии и других науках.
Одно из основных преимуществ шкалы Кельвина заключается в ее абсолютности. Ноль по шкале Кельвина (0 K), также известный как абсолютный ноль, соответствует нижней границе возможных температур, где молекулярное движение полностью прекращается. Это делает шкалу Кельвина особенно полезной в науке, так как она позволяет измерять относительные изменения температуры и проводить точные расчеты.
В технике шкала Кельвина применяется, например, в процессах, связанных с охлаждением и нагревом. Она используется при проектировании и контроле температуры в промышленных установках, системах охлаждения электроники, воздушных и космических аппаратах, а также в медицинском оборудовании.
Кроме того, шкалу Кельвина можно использовать для измерения экстремально высоких или низких температур, недоступных для других шкал. Например, в астрофизике шкала Кельвина позволяет измерять температуру звезд, где температуры могут достигать миллионов или даже миллиардов градусов по Кельвину.
Применение в повседневной жизни
Шкала Кельвина и шкала Цельсия находят широкое применение в повседневной жизни, особенно при измерении температуры.
Шкала Цельсия чаще всего используется для измерения температуры веществ в обычных условиях. Например, мы используем шкалу Цельсия для измерения температуры воздуха, воды, пищи и т.д. Большинство термометров, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, используют шкалу Цельсия.
В то время как шкала Кельвина используется в научных и инженерных расчетах, где точность и абсолютные значения температуры играют важную роль. Шкала Кельвина также применяется в области физики, химии и астрономии, где очень низкие и очень высокие температуры требуют точного измерения. Например, при работе с криогенными веществами или научных исследованиях в области термоядерного синтеза.
Еще одно важное применение шкалы Кельвина в повседневной жизни — это в области климатологии и метеорологии. Шкала Кельвина позволяет ученым точно измерять и сравнивать температуру на разных пространственных и временных масштабах. Она также используется при определении абсолютного нуля температуры, что является важным для понимания процессов в природе и синтеза новых материалов.
| Шкала Кельвина | Шкала Цельсия |
|---|---|
| Физика | Повседневное использование |
| Химия | Общепринятая шкала |
| Астрономия | Метеорология и климатология |
В общем, шкалы Цельсия и Кельвина играют важную роль в нашей повседневной жизни, предоставляя нам точные и сопоставимые измерения температуры в различных ситуациях.
Разница в масштабе
Одно из главных различий между шкалами Кельвина и Цельсия заключается в их масштабах измерения температуры.
Шкала Цельсия, также известная как шкала градусов Цельсия, имеет свой ноль при температуре замерзания воды, а сто градусов соответствуют точке кипения воды. Это делает ее наиболее распространенной шкалой для измерения температуры в повседневной жизни.
С другой стороны, шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, который соответствует отсутствию тепловой энергии вещества. Единица измерения на шкале Кельвина называется кельвин (K) и находится в прямой пропорции с градусами Цельсия. Вместо сто градусов, которые соответствуют точке кипения воды на шкале Цельсия, на шкале Кельвина эта точка соответствует 373 К.
Таким образом, шкала Кельвина предоставляет более широкий и полный диапазон измерения температуры, включая абсолютный ноль. В то время как на шкале Цельсия ноль соответствует замерзанию воды, на шкале Кельвина, количество тепловой энергии падает до самого низкого возможного уровня.