Что такое кельвины в освещении и как они измеряются

Единица измерения цветовой температуры

Для измерения используются Кельвины – в лампах обычно есть обозначение, это цифра с большой буквой «К» в конце или определенный диапазон. Это общепринятый вариант, применяемый во всем мире.

Абсолютно черное тело, принятое за эталон, имеет температуру 0 К, то есть оно поглощает попадающий на него свет. При нагреве до 500-1000°С элемент становится красным, при этом цветовая температура составляет от 800 до 1300 К. Если нагреть тело до 1700°С, то оно станет оранжевым, а показатель возрастет до 2000 К. По мере нагрева цвет станет вначале желтым (2500 К), а после белым (5500 К). Может быть еще и голубой оттенок (9000 К), но для нагрева тела до такой степени понадобится термоядерная реакция.

Чем выше температура нагревания металла, тем белее свет.

Многие варианты можно увидеть в естественных условиях, достаточно посмотреть на небо:

1. Желтый на рассвете, когда солнце только всходит (2500 К).
2. В полдень цветовая температура поднимается до 5500 К.
3. При умеренной облачности показатель составляет около 7000 К.
4. Ясное небо в солнечный день зимой имеет цветовую температуру 15 000 К.

Первым, кто начал проводить серьезные исследования в этой сфере, стал Макс Планк. При его непосредственном участии была создана диаграмма цветности (цветовая модель XYZ), которая используется как в светотехнике, так и в фотографии, видеозаписи, настройке графических редакторов.

Кривая Планка и координаты разных типов источников света на ней.

Что такое индекс цветопередачи

Освещение влияет на восприятие цветов и их оттенков. Поэтому на всех лампах указывается индекс цветопередачи Ra, которые измеряется по шкале от 0 до 100. Эталоном является солнечный свет. Что касается ламп, можно разделить их на несколько групп по цветопередаче.

Лампа накаливания в плане цветопередачи является эталоном.

Как это работает в обычной жизни

Рассматриваемый показатель влияет не только на качество освещения, но и на восприятие обстановки человеком и даже на его самочувствие. Если помнить несколько аспектов и придерживаться их, можно добиться лучшего эффекта без особых проблем.

Как зависит восприятие

90% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Поэтому от освещения во многом зависит восприятие обстановки. Цветовая температура позволяет оформить помещение так, как это нужно в той или иной ситуации:

1. Теплый свет, в Кельвинах обычно показатель составляет 2800-3200, идеально подойдет для спальни или зоны отдыха. Он настраивает на спокойный лад, помогает расслабиться и хорошо отдохнуть.
2. Естественные оттенки (около 4000) создают условия, при которых можно и работать, и отдыхать. Нейтральный вариант обеспечивает наилучшую цветопередачу, при этом излишне не напрягает зрение.
3. Холодные тона (больше 6000) создают хорошие условия для точных работ. Но при этом длительное нахождение в таких условиях нежелательно. Этот вариант часто применяют при оформлении витрин.

Цветовая температура и наши эмоции

Освещение влияет на самочувствие и настроение человека намного больше, чем кажется на первый взгляд. Если грамотно использовать его, можно положительно влиять на организм и обеспечивать нормальные процессы в нем. Надо помнить следующее:

1. Желтоватые тона идеально подойдут для утренних часов. Они способствуют быстрому пробуждению, улучшают настроение и стимулируют процессы жизнедеятельности. Теплота света будет кстати и в вечернее время, когда нужно отдохнуть после рабочего дня и подготовиться ко сну.

2. Нейтральные варианты можно использовать в течение дня, чтобы обеспечить хорошую работоспособность. Они применяются в большинстве помещений дома, так как создают обстановку, приближенную к естественному солнечному свету.

3. Холодные оттенки оказывают стимулирующее воздействие. Они улучшают работоспособность и повышают внимательность. Но длительное время находиться в таком помещении нельзя, это может привести к стрессу и обратному эффекту – повышенной усталости.

ФИЗИКА

§ 3.7. Абсолютная температура

Не все в мире относительно. Так, существует абсолютный нуль температуры. Есть и абсолютная шкала температур. Сейчас вы узнаете об этом.

При увеличении температуры объем газа неограниченно возрастает. Не существует никакого предела для роста температуры(1). Напротив, низкие температуры имеют предел.

Согласно закону Гей-Люссака (3.6.4), при понижении температуры объем стремится к нулю. Так как объем не может быть отрицательным, то температура не может быть меньше определенного значения (отрицательного по шкале Цельсия).

Абсолютный нуль температуры

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем Vb формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

получим

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

t = -273°C(2).

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Рис. 3.11

Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824— 1907) — выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения α. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При T = 0 К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

то

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

(1) Наибольшие температуры на Земле — сотни миллионов градусов — получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.

(2) Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Несколько

Важное недоразумение

Поскольку температура является мерой микроскопической энергии атомов (или молекул), она удваивается, если микроскопическая энергия удваивается. Тем не менее, переход от 10°C сегодня к 20°C завтра не удваивает температуру (хотя 20 дважды десять). Ученый сказал бы, что это 283 K, и вот где возникает проблема: удвоение 283 K составляет 566 K, что преобразуется в экстремальный 293°C. К счастью, 293°c при жизни людей не произойдет на Земле, но эта идея пропорционального изменения температуры привела к некоторой путанице с изменением климата.

Путаница в связи с изменением климата

Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что изменение климата является одной из основных проблем, стоящих перед миром.

Большинство климатологов прогнозируют увеличение средней глобальной температуры на 1% к 2100 году. Это число звучит незначительно, если думать в градусах Цельсия, но изменение 1% означает, что должна использоваться шкала Кельвина. К сожалению, для того, чтобы сделать этот расчет, числа должны быть преобразованы в Кельвин и после выполнения надлежащих преобразований и расчетов увеличение на 1% по шкале Кельвина фактически приведет к средней глобальной температуре 17,4°C к 2100 году. Сейчас средняя нагретость Земли 14, 8 °C. Это может показаться не очень высоким, но увеличение 2.6°C довольно тревожно. При этом произойдет  повышение  уровня моря со всеми вытекающими последствиями для Земли.

Холодные и теплые светильники

Чем меньше цветовая температура, тем более тёплым будет освещение. Тёплые тона это те, которые приближены к желтому и красному цвету. Холодные лампочки – отдают синевой в своём свечении. Обычно цветовые температуры таких источников света находятся в диапазоне выше 4000 К.

Как выбрать светильник по цветовой температуре?

Если вы выбираете, например, прожектор для освещения улицы вам предложат, в основном, светильники на галогенных лампах и светодиодные приборы. При этом температура галогенок около 4000 К, а светодиодные предложены на выбор от 2700 – тёплых тонов, до холодных светильников с цветовой температурой больше чем 4000 К. Визуально холодные кажутся ярче. Это связано с особенностями зрения.
На упаковке ламп от добросовестных производителей всегда указывается температура в Кельвинах. Это поможет выбрать вам правильное освещение и избежать ситуаций, когда в многорожковой люстре вкручиваются лампочки разного оттенка.

Строительство единицы Кельвина и последствия

С 1954 по 2019 год , единица температуры Международной системы и ее производных единиц , определяемых международной конвенцией, основаны на термодинамической температуре от тройной точки воды, TH ₂ O_Т= 273,16  К  :

• кельвин (K):
  • происхождение:  K = абсолютный ноль ,
  • значение : ТH ₂ O_Т273,16 (доля 1273,16термодинамическая температура тройной точки воды );
• градус Цельсия (° C):
  • значение: идентично кельвину (т.е. разница температур имеет одинаковое значение в градусах Цельсия и в кельвинах),
  • Происхождение:  ° С = 273,15  К . Следовательно, тройная точка воды составляет точно 0,01  ° C. Температура плавления льда при атмосферном давлении составляет примерно ° C.

Таким образом, дробь 1 ⁄ _273,16 обусловлена ​​выбором тройной точки воды в качестве точки отсчета и желанием определить единицу измерения температуры, которая позволяет находить обычные температурные интервалы, связанные со старыми температурными шкалами. Хотя нынешнее официальное определение градуса Цельсия основано на кельвине, последний был установлен позже.

Исторически в качестве опорных точек для построения температурных шкал выбирались температура замерзания воды, определяющая ноль, и температура кипения, фиксированная на уровне 100. Таким образом, эти две точки определяли шкалу Цельсия , шаг которой составляет одну сотую разницы температур между эти два момента. Эту температурную шкалу долгое время путали со шкалой Цельсия.

Понятие термодинамической температуры и неявно понятие абсолютной температуры вводит понятие абсолютного нуля , делая ссылку на две точки ненужной. Достаточно одной фиксированной точки отсчета. Тройная точка воды, то есть условия, в которых сосуществуют три состояния воды (жидкое, твердое и газообразное), является точкой неизменной температуры и давления ( нулевой разброс ). Следовательно, он представляет собой фундаментальную фиксированную точку отсчета, более стабильную, чем, например, температура замерзания, которая зависит от многих параметров и может опускаться до -38  ° C для чистой переохлажденной воды .

После того, как эта контрольная точка принята, остается определить интервал в один кельвин, который фиксируется следующим образом: Кельвин — это часть 1 ⁄ _273,16 термодинамической температуры тройной точки воды .

Это, в свою очередь, становится эталоном для определения градуса Цельсия. В результате этой реформы последняя понижается до статуса единицы, производной от Международной системы  : единица измерения температуры Цельсий по определению равна единице температуры Кельвин, причем любой температурный интервал имеет одинаковое числовое значение в двух единицы измерения.

Тем не менее, из — за это устройство отбора, точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении не зафиксирована на уровне 100  ° C , но при 99.9839  ° C . Тем не менее, этот выбор приводит к очень малым зазором со значением 100, он сохраняет текущие определения морозильных точек и кипения воды при атмосферном давлении: около ° C до примерно 100  ° C .

Строго говоря, только устаревшая шкала Цельсия по-прежнему присваивает точное значение 100 температуре этой точки кипения.

В году определение было уточнено путем уточнения изотопного состава воды, для которой использована тройная точка:

• 0,000 155 76 моль 2 H на моль 1 H  ;
• 0,000 379 9 моль 17 О на моль 16 О;
• 0,002,005 2 моль 18 O на моль 16 O.

Этот состав является составом справочного материала Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), известного как «  Венское стандартное среднее значение океанской воды  » (VSMOW, англ. Vienna Standard Mean Ocean Water ), чем рекомендовано Международным союзом чистой и прикладной воды. Химия (ИЮПАК).

В 2018 году было решено переопределить единицы международной системы .

От 20 мая 2019 г.,После работы Международного комитета мер и весов определение кельвина коренным образом меняется. Вместо того, чтобы полагаться на изменения в состоянии воды для определения масштаба, новое определение полагается на эквивалентную энергию, заданную уравнением Больцмана .

Новое определение

Значение кельвина K определяется путем фиксации числового значения постоянной Больцмана равным 1,380 649 × 10 -23  Дж · К -1 (или с- 2  м 2  кг · К -1 ).

Кельвин, таким образом , термодинамическое изменение температуры в результате изменения в тепловой энергии из
, или единиц действия, ч в секунду .
kТ{\ displaystyle kT}1,380649×10-23J{\ displaystyle 1,380 \, 649 \ times 10 ^ {- 23} \ mathrm {J}}1,380649×10-236,62607015×10-34{\ displaystyle {\ frac {1,380 \, 649 \ times 10 ^ {- 23}} {6,626 \, 070 \, 15 \ times 10 ^ {- 34}}}}

Большой мороз

Какие ощущения может порождать абсолютный ноль? Мы знаем, как ощущается точка замерзания или снегопад. Мы вдыхаем холодный воздух, пальцы у нас немеют. В общем, нам довольно холодно. В некоторых районах Северной Америки и Сибири температура может понижаться зимой еще на 10 или 20 градусов, а на Южном полюсе достигать -70 градусов по Цельсию. Самая низкая природная температура на Земле, -89 градусов по Цельсию, или 184 по Кельвину, была зафиксирована в 1983 году на станции «Восток», находящейся в самом сердце Антарктиды.

Температура падает, и когда вы забираетесь высоко в горы или поднимаетесь на самолете. Если же выбраться в космос, там окажется еще холоднее. Но даже в самых пустых глубинах вселенной самые холодные атомы обладают температурой, на несколько градусов превышающей абсолютный ноль. Наиболее холодное место, найденное пока во вселенной, находится в туманности Бумеранг, темном облаке газа с температурой всего на один градус выше абсолютного ноля. Вне этой туманности, во всем пустом пространстве температура среды держится на довольно приятном уровне в 2,7 градуса Кельвина. Это такая теплая ванна, наполненная космическим микроволновым фоновым излучением, оставшимся со времен Большого взрыва и пронизывающим все пространство вселенной. Чтобы охладить какой-нибудь регион вселенной, его нужно оградить от этого реликтового тепла, — тогда любые атомы в нем утратят остаточную температуру. Поэтому представить себе, что температура какого-либо места во вселенной может равняться абсолютному нолю, трудновато.

Что происходит при 0 Кельвина?

Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.

Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.

Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан

В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.

Термины

• Энтропия – мера того, как равномерная энергия располагается в системе.
• Термодинамика – отрасль в науке, изучающая тепло и его соотношение с энергией и работой.

Абсолютный ноль – минимальная температура, при которой энтропия достигает наименьшего значения. То есть, это самый маленький показатель, который можно наблюдать в системе. Это универсальное понятие и выступает нулевой точкой в системе единиц температуры.

График зависимости давления от температуры для разных газов с постоянным объемом. Заметьте, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной температуре

Система в абсолютном нуле все еще наделена квантово-механической нулевой энергией. Согласно принципу неопределенности, положение частичек нельзя определить с абсолютной точностью. Если частичка смещается в абсолютном нуле, то все еще обладает минимальным энергетическим запасом. Но в классической термодинамике кинетическая энергия способна быть нулевой, а тепловая исчезает.

Нулевая точка термодинамической шкалы, вроде Кельвина, приравнивается к абсолютному нулю. Международное соглашение установило, что температура абсолютного ноля достигает 0K по шкале Кельвина и -273.15°C по шкале Цельсия. Вещество при минимальных температурных показателях проявляет квантовые эффекты, вроде сверхпроводимости и сверхтекучести. Наиболее низкая температура в лабораторных условиях составляла 10-12 K, а в естественной среде – 1K (быстрое расширение газов в туманности Бумеранг).

Стремительное расширение газов приводит к минимальной наблюдаемой температуре

Абсолютный ноль температур

Абсолю́тный ноль температу́ры
— это минимальный предел температуры , которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы , например, шкалы Кельвина . По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки . Однако, на самом деле, даже при абсолютном нуле температуры регулярные движения составляющих вещество частиц останутся . Оставшиеся колебания, например нулевые колебания , обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума , их окружающего.

В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса; достичь же его самого, согласно законам термодинамики, невозможно.

История [ править ]

Лорд Кельвин , тезка подразделения

В 1848 году Уильям Томсон, впоследствии получивший титул лорда Кельвина , написал в своей статье « Об абсолютной термометрической шкале» о необходимости шкалы, в которой «бесконечный холод» (абсолютный ноль) был нулевой точкой шкалы, и в которой использовались градусы Цельсия. для его приращения единицы. Кельвин подсчитал, что абсолютный ноль равнялся −273 ° C на воздушных термометрах того времени. Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая температурная шкала Кельвина. Значение Кельвина «-273» было отрицательной обратной величиной 0,00366 — принятого коэффициента расширения газа на градус Цельсия относительно точки льда, что дает замечательную согласованность с принятым в настоящее время значением.

В 1954 году Резолюция 3 10-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) дала шкале Кельвина ее современное определение, обозначив тройную точку воды в качестве второй определяющей точки и присвоив ее температуре ровно 273,16 кельвина.

В 1967/1968 г. Постановление 3 13-го ГКГМ переименовало единицу приращения термодинамической температуры «кельвин», символ K, заменив «градус Кельвина», символ ° K. Кроме того, считая полезным более четко определить величину приращения единицы измерения, 13-й CGPM также постановил в Резолюции 4, что «Кельвин, единица термодинамической температуры, равен доле1273,16термодинамической температуры тройной точки воды »

В 2005 году Международный комитет Poids et Mesures (CIPM), комитет CGPM, подтвердил, что для целей определения температуры тройной точки воды определение термодинамической температурной шкалы Кельвина будет относиться к воде, имеющей изотопный состав указан как Венский стандарт средней океанской воды .

16 ноября 2018 года было принято новое определение фиксированного значения постоянной Больцмана . С этим изменением тройная точка воды стала эмпирически определенным значением примерно 273,16 кельвина. Для целей новое определение официально вступило в силу 20 мая 2019 года, в 144-ю годовщину Метрической конвенции .

Итог

В стандартной модели Вселенной самая высокая из когда-либо зафиксированных температур была достигнута за доли секунды после Большого взрыва. В течение этого незначительного периода времени излучаемый свет имел длину волны 10 ^ -35 метров. Эта длина называется длиной Планка и является наименьшей измеримой длиной во Вселенной. Из-за этой небольшой длины волны температура достигала 1,416808·1032 кельвинов, или 142 квинтиллиона кельвинов (142 ниллионда по короткой шкале), что называется температурой Планка и является самым близким определением «абсолютной жары», которое мы имеем в настоящее время.

Помимо того, что температура Планка является самой высокой температурой, когда-либо теоретически достигнутой в нашей Вселенной, физики предполагают, что при любой температуре, превышающей стандарт Планка, гравитационные силы затронутых частиц станут настолько сильными, что они могут создать черную дыру. Черная дыра, которая создается из энергии, а не из материи, называется «кугельблиц». Наши общепринятые в настоящее время модели физики рушатся на фоне этого явления, оставляя многие вопросы без ответа.

Если вы что-то не поняли, предлагаем посмотреть этот ролик, из которого вы обязательно поймете многие вещи по этой теме: