مقیاس دمای کلوین

دید کلی

مقیاس کلوین در پی کشف چرخه کارنو صورت گرفت. این مقیاس نیز مانند سایر مقیاسها نظیر سلسیوس و ... باید نقطه مرجعی داشته باشد در این مقاله در مورد ارتباط مقیاس کلوین با چرخه کارنو و نیز نقطه مرجع آن صحبت خواهیم کرد.

تاریخچه

می‌دانیم که یکای دما نخست بطور مصنوعی ظهور کرد: به نقطه جوش آب عدد 100 نسبت دادند، این انتخاب پیامدهای مهمی داشت. عدد ثابت گازها ، ژول بر درجه R = 8.3157 ، در قانون کلاپیرون - مندلیف ظاهر شد. معنای دما توجه ویلیام تامسون که بعدا لرد کلوین نامیده شد را جلب کرد. او در سال (1228/1848) دریافت که قضیه کارنو یک اصل تابعی ساده ولی مهم در بر دارد.
متأسفانه ، به رغم زیبایی نظری مقیاس کلوین ، در عمل استفاده از چرخه کارنو کار سختی است، ضروری بود که روش دیگری برای اندازه گیزی دما پیدا شود. بعد از کارهای کلوین مسئله دما از لحاظ نظری نسبتا روشن شد. اندیشه مقیاس با یک نقطه مرجع را مندلیف در سال (1252/1873) مطرح کرد. اندیشه مندلیف بعد از یک وقفه 70 ساله (به شکل نسبتا بهتری) عملی شد و از بی نهایت که نام مندلیف نیز به مقیاس دماسنجی مدرن گره می‌خورد.

دمای کلوین و چرخه کارنو

متعاقب قضیه کارنو ، کلوین متوجه شد که اگر در چرخه کارنو کار انجام یافته ، فقط به دمای منبع سرما و منبع گرما بستگی داشته باشد می‌شود، مقیاس دمای جدیدی وضع کرد که مستقل از خواص ماده کار باشد. چرخه کارنو را می توان وسیله‌ای به نظر آورد که اندازه گیری نسبت دماهای T1 و T2 را میسر می‌کند. برای رسیدن به این امر ، باید تساوی زیر را در نظر گرفت:
T1/T2 = φ1/φ2
با اندازه گیری نسبت مقدار گرمایی که از جسم گرم گرفته می‌شود و آنکه به منبع سرما انتقال می یابد، نسبت دماهای منبع گرم و سرد بدست می‌آید. بدینسان ، اگر بتوان چرخه کارنو را برای دو جسم (منبع سرما و گرما) به کار انداخت، می‌توان نسبت دماهای این دو جسم را تعیین کرد. مقیاس دمایی را که بدین سان تعریف شد، مقیاس دمای مطلق نامیدند. برای آنکه به دمای مطلق (در مقابل نسبت دو دما) ، عدد معینی نسبت دهیم باید، مقدار دما در یک نقطه روی مقیاس مطلق جدید را تغییر دهیم، یعنی لازم است ابتدا دمای یک نقطه معین به دلخواه تعیین شود. بعد از این ، در اصل ، با بکار بردن چرخه کارنو مقدار هر دمای دیگر تعیین می‌شود.

مقیاس دمای کلوین

بکار بردن یک نقطه مرجع ، به عنوان مثال نقطه ذوب یخ و اندازه گیری دما از روی نسبت فشارها که با معادله حالت به یکدیگر ارتباط دارند می‌توانست ساده‌تر باشد. بدیهی است، انتخاب نقطه ذوب یخ ، به عنوان نقطه مرجع ، کاملا مناسب نیست. زیرا این نقطه تابع فشار است و معمولا نمی‌توان آنرا بصورت قابل اعتماد تکرار کرد.
در نتیجه امروزه ، به عنوان نقطه مرجع ، نقطه سه گانه آب را بکار می‌برند. این نقطه دمایی است که در آن سه حالت آب ، بخار آب و یخ در تعادلند. در هر دما بخار آب روی یخ فشار معینی را اعمال می‌کند، اگر دما به تدریج بالا رود، در لحظه‌ای که یخ شروع به آب شدن می‌کند، هر سه فاز به حال تعادل در می‌آیند. این حالت با دمای0.01 سانتیگراد متناظر است.
نقطه 0.01 سانتیگراد را می‌توان در آزمایشگاه نسبتا آسان تولید کرد و از اینرو آن را نقطه مرجع مقیاس ترمودینامیکی انتخاب کرده‌اند و دقیقا برابر 273.15 درجه کلوین قرار داده‌اند. صفر قراردادی مقیاس سیلسیوس برابر است با 273.16 درجه کلوین ، این عدد را از این نظر انتخاب کرده‌اند تا دما روی مقیاس جدید عملا بر مقیاس دو نقطه مرجع پیشین منطبق باشد.
منبع: http://atwis.com
/خ