Redefinicja jednostek układu SI na przykładzie kelwina Część I

Podobne dokumenty
Redefinicja jednostek układu SI

REDEFINICJA SI W ROLACH GŁÓWNYCH: STAŁE PODSTAWOWE

Dr inż. Michał Marzantowicz,Wydział Fizyki P.W. p. 329, Mechatronika.

Czym jest Fizyka? Podstawowa nauka przyrodnicza badanie fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii oraz zjawisk w przyrodzie gr. physis - prz

Światło jako narzędzie albo obiekt pomiarowy

Fizyka i wielkości fizyczne

Podstawy termodynamiki

Kwantowy układ SI i jego jednostki elektryczne

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Temperatura, PRZYRZĄDY DO POMIARU TEMPERATURY

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

REDEFINICJA KELWINA METODY POMIARU TEMPERATURY TERMODYNAMICZNEJ

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

PODSTAWOWA TERMINOLOGIA METROLOGICZNA W PRAKTYCE LABORATORYJNEJ

Seminarium WFiIS Kraków, 9 listopada 2018 Redefinicja kelwina Andrzej Zięba

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Stany skupienia materii

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Wykład FIZYKA I. 15. Termodynamika statystyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

dr inż. Marcin Małys / dr inż. Wojciech Wróbel Podstawy fizyki

WYBRANE ZAGADNIENIA Z TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Układ SI. Nazwa Symbol Uwagi. Odległość jaką pokonujeświatło w próżni w czasie 1/ s

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Fizyka 14. Janusz Andrzejewski

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Podstawy fizyki wykład 6

P. R. Bevington and D. K. Robinson, Data reduction and error analysis for the physical sciences. McGraw-Hill, Inc., ISBN

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Kwantowa natura promieniowania

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Termodynamika. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki I rok inż. Pomiary temperatury Instrukcja do ćwiczenia

Termodynamika cz.1. Ziarnista budowa materii. Jak wielka jest liczba Avogadro? Podstawowe definicje. Notes. Notes. Notes. Notes

Efekt fotoelektryczny

Ć W I C Z E N I E N R C-7

Temperatura i ciepło

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA ROK SZKOLNY 2017/ ) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych

Wykład 3. Zerowa i pierwsza zasada termodynamiki:

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

TERMODYNAMIKA. Pojęcia podstawowe. TERMODYNAMIKA pojęcia podstawowe

Wstęp do astrofizyki I

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Podstawy termodynamiki

Pomiar średniego ciepła właściwego i wyznaczanie temperatury Debye a

LABORATORIUM METROLOGII

Przegląd termodynamiki II

Związki między podstawowymi jednostkami miar układu SI a podstawowymi stałymi fizycznymi

Występują fluktuacje w stanie równowagi Proces przejścia do stanu równowagi jest nieodwracalny proces powrotny jest bardzo mało prawdopodobny.

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kierownik przedmiotu: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski

Kaskadowy sposób obliczania niepewności pomiaru

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

LABORATORIUM Z FIZYKI

Plan wykładu. Termodynamika cz.1. Jak wielka jest liczba Avogadro? Ziarnista budowa materii

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy I gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

dr inż. Beata Brożek-Płuska LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ Politechnika Łódzka Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej

Kinetyczna teoria gazów Termodynamika. dr Mikołaj Szopa Wykład

I. Przedmiot i metodologia fizyki

Termodynamika Część 2

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

3. Podstawowe wiadomości z fizyki. Dr inż. Janusz Dębiński. Mechanika ogólna. Wykład 3. Podstawowe wiadomości z fizyki. Kalisz

WYKONUJEMY POMIARY. Ocenę DOSTATECZNĄ otrzymuje uczeń, który :

Wstęp do astrofizyki I

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Warunki izochoryczno-izotermiczne

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Komputerowe systemy pomiarowe. Wielkości mierzalne. Przetworniki i czujniki pomiarowe

Wykład 3 Miary i jednostki

Wykład FIZYKA I. 13. Termodynamika fenomenologiczna cz.i. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Termodynamika. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki II rok inż. Pomiar temperatury Instrukcja do ćwiczenia

Doświadczenie B O Y L E

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

WSKAZÓWKI DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA Z WYRÓWNAWCZYCH ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Plan wykładu. Termodynamika cz.1. Jak wielka jest liczba Avogadro? Ziarnista budowa materii

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Sprawdzanie prawa Ohma i wyznaczanie wykładnika w prawie Stefana-Boltzmanna

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Promieniowanie cieplne ciał.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Miernictwo elektroniczne

Transkrypt:

Foton 142, Jesień 2018 21 Redefinicja jednostek układu SI na przykładzie kelwina Część I Andrzej Zięba 1 AGH Kraków 1. Wstęp Oparcie definicji jednostek układu SI na ustalonych wartościach stałych fizycznych (tzn. takich, którym przypisujemy zerową niepewność) jest największą zmianą sposobu definiowania jednostek miar, nie tylko od powstania układów SI, MKSA, czy CGS, ale od czasów najdawniejszych. W końcu jednostki miar były definiowane od zawsze przez przyjęcie jakiegoś arbitralnego, materialnego wzorca, niezależnie od tego, czy był nim łokieć kupca w średniowiecznych Sukiennicach, czy obowiązujący dotąd platynowo-irydowy wzorzec kilograma. Definiowanie jednostek przy pomocy ustalonych wartości stałych fizycznych bierze początek z idei naturalnych jednostek miary [1], zapoczątkowanych przez Stoneya (1881) i Plancka (1899). Impulsem do obecnych zmian było wykorzystanie w metrologii dwóch makroskopowych zjawisk kwantowych efektu Josephsona i kwantowego zjawiska Halla. Pozwalają one skonstruować wzorce napięcia i rezystancji [2], dla których ustalenie wartości stałej Plancka h i ładunku elektrycznego e zapewnia zwiększenie bezwzględnej dokładności pomiaru o dwa rzędy wielkości w porównaniu do wzorców klasycznych. Potem pojawiły się prace rozważające ustalenie zespołu stałych: h, e, liczby Avogadra N A i stałej Boltzmanna [3]. Prace te były oficjalnie analizowane przez organy Konwencji Metrycznej [4]. Kulminacją kilkunastu lat prac jest rezolucja Międzynarodowej Konferencji Miar, przyjęta 16 listopada 2018 r [5], która zadekretowała ustalenie czterech stałych fizycznych o wartościach: h = 6,626 070 15 10 34 J s e = 1,602 176 634 10 19 A s k B = 1,380 649 10 24 J/K N A = 6,022 140 76 10 23 1/mol, czego konsekwencją są nowe definicje kilograma, ampera, kelwina i mola. Zmiany mają formalnie wejść w życie w dniu 20 maja 2019 r. Obowiązujące dotąd definicje: metra i sekundy pozostają niezmienione. Prekursorem obecnych zmian było ustalenie prędkości światła na wartości c = 299 792 458 m/s w definicji metra. Definicja sekundy na podstawie częstotliwości przejścia nadsubtelnego w atomie cezu, Δν Cs = 9 192 631 770 Hz, jako jedyna odwołuje się do konkretnej substancji (Cs) i jest realizowana przy pomocy jednego typu przyrządu zegara atomowego. Zagadnienie kandeli, która 1 Andrzej.Zieba@fis.agh.edu.pl

22 Foton 142, Jesień 2018 z przyczyn pozamerytorycznych jest zadekretowana jako siódma podstawowa jednostka układu SI, pozostaje poza zakresem tego artykułu [6]. Problematyka redefinicji jednostek układu SI jest obszerna. Zagadnienia związane z ustaleniem stałych e i h autor przedstawiał poprzednio [7, 8]. Aktualny artykuł koncentruje się na problemie nowej definicji jednostki temperatury kelwina. Na tym przykładzie można omówić ideę i realizację redefinicji, zarówno od strony teoretycznej, jak i doświadczalnej. Dodatkowym powodem jest chęć zaprezentowania ważnego wyniku teoretycznego obliczenia z zasad pierwszych podatności elektrycznej atomu helu, wyznaczonej doświadczalnie przez polskich chemików kwantowych 2. Dokładna teoretyczna znajomość tej wielkości jest niezbędna dla jednej z metod wyznaczenia stałej Boltzmanna. 2. Stała Boltzmanna Stała Boltzmanna jest podstawową stałą termodynamiki statystycznej. Najprościej ją zdefiniować jako współczynnik w wyrażeniu na średnią energię kinetyczną gazu doskonałego, m 2 υ 3 kt B. (1) 2 2 Nazwa stałej upamiętnia Ludwika Boltzmanna (1844-1906), najważniejszego twórcę termodynamiki statystycznej. W szczególności, Boltzmann wprowadził statystyczną definicję entropii, S = k B ln Ω, w której stała k B odgrywa zasadniczą rolę. Nazwę stała Boltzmanna wprowadził Max Planck, który przy jej pomocy zapisał wzór na widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, I( ) 2 2ch 1 5 hc. exp 1 (2) kt B Z dopasowania do istniejących w tym czasie danych doświadczalnych Planck wyznaczył wartość k B mniejszą tylko o 2,5% od przyjętej obecnie. Dalsze ugruntowanie znaczenia stałej Boltzmanna w fizyce przyniosły prace Smoluchowskiego i Einsteina nad fluktuacjami termicznymi. Badacz francuski Jean Perrin wyznaczył wartość k B przy pomocy 13. różnych metod. Traktował to jako ilościowy dowód na atomową strukturę materii i za to osiągnięcie otrzymał nagrodę Nobla 1926 r. Rysunek 1 z pracy [9] przedstawia postępujące zmniejszania się niepewności pomiaru stałej Boltzmanna, od Plancka do naszych czasów. Wykres ten pokazuje, że dopiero w XXI wieku dokładność wyznaczenia k B przewyższyła dokładność wyznaczenia temperatury przy pomocy standardowych metod opartych o temperaturę punktu potrójnego wody i inne punkty termometryczne. Stanowi to doświadczalną podstawę do zmiany definicji kelwina. 2 Temat ten będzie przedstawiony w drugiej części artykułu

Foton 142, Jesień 2018 23 Rys. 1. Względna niepewność wyznaczenia stałej Boltzmanna (w jednostkach ppp, ang. part per milion czyli 10 6 ) jako funkcja czasu [8] oraz krzywa obrazująca odtwarzalność praktycznych skal temperatury w pobliżu 100 C. 3. Istota redefinicji kelwina przykład termometru gazowego Przypomnijmy, że dotychczasowa definicja 3 kelwina brzmi: kelwin jest 1/273,16 częścią temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Nowa definicja może zostać zapisana 4 w sposób następujący [5]: kelwin, jednostka temperatury termodynamicznej, jest zdefiniowana przez przyjęcie ustalonej wartości stałej Boltzmanna równej 1,380649 10 23 w jednostkach J K 1 czyli kg m 2 s 2 K (5) 1, przy czym kilogram, metr i sekunda są zdefiniowane poprzez ustalone wartości h, c i Δν Cs. Aby lepiej zrozumieć istotę i konsekwencje zmiany definicji, spróbujmy przeanalizować, w jaki sposób przy jednej i drugiej definicji można by wyznaczyć pewną temperaturę, na przykład temperaturę wrzenia wody. W tym celu musi zostać użyty termometr absolutny, którego działanie opiera się na fundamentalnym równaniu fizyki, niezależnym od wyboru konkretnej substancji. Termometry empiryczne wykorzystują temperaturową zależność konkretnej substancji, np. rozszerzalność temperaturową rtęci lub temperaturową zależność rezystancji (4) 3 Definicja skrótowa pełna określa ponadto skład izotopowy wody. Przypomnijmy też, że punkt potrójny to stan równowagi termodynamicznej trzech faz stałej, ciekłej i gazowej. 4 W oryginale: The kelvin, symbol K, is the SI unit of thermodynamic temperature. It is defined by taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be 1.380 649 10 23 when expressed in the unit J K 1, which is equal to kg m 2 s 2 K 1, where the kilogram, metre and second are defined in terms of h, c and ΔνCs.

24 Foton 142, Jesień 2018 platyny i musi być cechowany przy wykorzystaniu termometru absolutnego lub punktów stałych skali temperatur 5. Przykładem termometru absolutnego jest termometr gazowy wykorzystujący równanie stanu gazu doskonałego, pv T n R. (6) W równaniu tym p, V, T i n oznaczają kolejno: ciśnienie, objętość, temperaturę i liczbę moli gazu zamkniętego w zbiorniku, zaś uniwersalna stała gazowa jest iloczynem liczby Avogadra i właśnie stałej Boltzmanna, R = N A k B. Wprawdzie parametry realnych gazów spełniają równanie (6) ze skończoną dokładnością, ale jest ono ścisłe w granicy gęstości gazu dążącej do zera. Rysunek 2 przedstawia termometr gazowy zrealizowany jako demonstracja fizyczna 6. W przypadku dotychczasowej definicji kelwina i termometru gazowego o stałej objętości wartości V i n są stałe. Temperatura jest proporcjonalna do ciśnienia, podstawą działania termometru staje się wzór T = const p. (7) Rys. 2. Model termometru gazowego. Wg [10] Należy zmierzyć ciśnienia p 0 w temperaturze punktu potrójnego wody (TP H 2 O), oraz ciśnienie p w badanej temperaturze. Jej wartość obliczamy jako T 273,16 p p. 0 5 Ten ważny podział termometrów (czyli metod pomiaru temperatury) nie znajduje odzwierciedlenia w polskim nazewnictwie. Przyjęte tu nazwy są tłumaczeniem terminów: absolute thermometer oraz empirical thermometer. 6 Warto wiedzieć, że termometry gazowe złożone z manometru, zbiorniczka i łączącej te elementy metalowej kapilary są szeroko stosowane w przemyśle (zob. firma WIKA z Włocławka).

Foton 142, Jesień 2018 25 W przypadku nowej definicji kelvina mierzyć musimy trzy wielkości: p, V i n, szukana temperatura wynosi pv T. N k Przyznajmy, że nie jest to ani wygodny, ani dokładny sposób pomiaru temperatury. Mierzyć trzeba nie jedną, ale kilka wielkości, przy czym trudno o dokładny pomiar objętości i liczby moli gazu. Ale materialny wzorzec w postaci komórki punktu potrójnego wody przestaje być potrzebny. Przykład termometru gazowego jest przydatny w zrozumieniu jeszcze jednej sprawy. Jeżeli potrafimy zmierzyć p, V i n, możemy wyznaczyć, przy znanej wartości N A, eksperymentalną wartość stałej Boltzmanna, k B A A B (8) pv. (9) NT W ogólności, pomiar każdym termometrem absolutnym można traktować jako metodę wyznaczania stałej Boltzmanna. Wartości k B nie da się natomiast wyznaczyć przy pomocy termometrów empirycznych. Reasumując, redefinicja kelwina wymaga zmierzenia, jak najdokładniej i różnymi metodami, wartości stałej Boltzmana, a następnie przyjęcie jej jako stałej, po zaokrągleniu zależnym od wartości niepewności. Zapewni to zgodność ze starą definicją kelwina. Przyjęte zostały następujące warunki dotyczące zbioru wyników pomiaru: (i) stała Boltzmanna winna być zmierzona co najmniej dwoma metodami z niepewnością mniejszą niż 3 ppm, (10) (ii) wartość uśredniona CODATA winna osiągnąć niepewność poniżej 1 ppm. W drugiej części artykułu zostaną przedstawione trzy metody, przy pomocy których udało się osiągnąć wymaganą dokładność wyznaczenia stałej Boltzmanna, a także konsekwencje zmiany definicji kelwina. Ale to już znajdziecie w kolejnym numerze Fotonu. Referencje [1] Parz np. hasło natural units w Wikipedii. [2] Dudek, M. Mosiądz, M. Orzepowski, Wzorce wielkości elektrycznych oparte na zjawiskach kwantowych. Metrologia. Biuletyn Głównego Urzędu Miar, nr 3 (2009), 3-16. [3] Mills I. M., Mohr P. J., Quinn T. J., Taylor B. N., Williams E. R., Redefinition of the kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM recommendation 1 (CI-2005). Metrologia 43 (2006) 227-246. [4] Recommendation 1 (CI-2005): Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants. [5] On the revision of the International System of Units (SI). Resolution 1. Resolutions adopted at 26e CGPM, Versilles, 13-16 Novembre 2018.

26 Foton 142, Jesień 2018 [6] A. Zięba, O świecy zwanej kandelą, Foton 102 (2008) 34-38. [7] A. Zięba, Kwantowy układ SI i jego jednostki elektryczne. Foton 127 (2014) 26-35. [8] A. Zięba, Kwantowy uklad SI podstawy fizyczne i perspektywy przyjęcia. Metrologia i Probiernictwo. Biuletyn Głównego Urzędu Miar. Nr 1-2 (2015), 14-19. [9] D. R. White, J. Fisher, The Boltzmann constant and the new kelvin. Metrologia 52 (2016) S213-S216. [10] http://e-fizyka.info/index.php?t=13&id=260&opis=termometr.