Đơn vị K - nhiệt độ Kelvin là gì ?

Tìm hiểu về đơn vị đo Kelvin, ký hiệu là K, ứng dụng và cách đo nhiệt độ theo đơn vị nhiệt độ tuyệt đối Kelvin

Ký hiệu: K (Degree Kelvin)

Thường gọi là: Độ Kelvin

Mã UN/CEFACT: KEL

Độ lớn theo SI: K

Khái niệm về độ Kelvin

Độ Kelvin là gì?

Kelvin là đơn vị đo lường cho nhiệt độ và được kí hiệu trong hệ SI là “K” nó tăng theo gia số giống như  °C nhưng khác biệt là điểm bắt đầu của phép đo Kelvin thấp hơn rất nhiều so với độ C. Tại điểm bắt đầu 0 Kelvin ở đó nhiệt độ đo được bằng là -273,15 °C. Mỗi K trong nhiệt giai Kelvin (1 K) bằng một độ trong nhiệt giai Celsius (1 °C).

Nguồn gốc tên gọi?

Đơn vị nhiệt độ Kelvin được đặt theo tên một nhà toán học, nhà vật lý học và kỹ sư người Anh tên là William Thomson, Nam tước Kelvin thứ nhất (1824-1907).

Phân biệt giữa độ C và độ K như thế nào?

• Độ Kelvin là đơn vị đo lường nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt độ tuyệt đối là nhiệt độ không động của không khí, 0 độ kelvin tương ứng với -273,15 độ C
• Độ Celsius(Độ C): Độ Celsius là đơn vị đo nhiệt độ dựa trên thang đo 100 độ và được chia thành các đơn vị bằng nhau.
• Cả hai đơn vị đều liên quan tuyến tính và có thể chuyển đổi giữa chúng bằng một hằng số.

Vì sao lại phải có nhiệt độ Kelvin bên cạnh độ C vốn đã được biết đến rộng rãi ?

Ngay cả khi tôi, người thẩm định bài viết này, còn là học sinh phổ thông tôi đã tự đặt câu hỏi trên : "Vì sao lại phải có nhiệt độ Kelvin bên cạnh độ C vốn đã được biết đến rộng rãi ?". Có phải các nhà khoa học lắm chuyện không ? Độ Kelvin ra đời sau trong bối cảnh nhiệt giai Celcius đã rất phổ biến, ai cũng hiểu ở áp suất tiêu chuẩn 1 at-mốt-phe  thì 0 độ C nước đông đá, 100 độ C, nước sôi. Lấy hai khoảng đó chia đều là có cái nhiệt kế thuận tiện. Độ Kelvin con số khá là to, lại khó hình dung. Ấy thế mà độ Kelvin đã sinh sau lại còn được đưa vào là một trong 7 đơn vị SI, rất là oách !

Câu chuyện này có lý do của nó. Khoa học ngày càng phát triển, các nhà khoa học nghiên cứu về nhiệt phát hiện ra rằng về bản chất, nhiệt độ phản ánh sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của vật chất. Do đó sẽ có một nhiệt độ gọi là nhiệt độ 0 tuyệt đối, tại đó mọi chuyển động nhiệt hỗn loạn đều ngừng lại, vật chất ngừng dao động nhiệt. Chỗ này phải nói cho rõ là chỉ ngừng dao động hỗn loạn thôi nhé, các dao động khác có trật tự có thể vẫn còn. Nói một cách khác, 0 độ K chính là nhiệt độ nhỏ nhất mà vật chất có thể đạt được về mặt lý thuyết. Nhắc lại, là chỉ về mặt lý thuyết thôi nhé, trong thực tế chưa quan sát được vật chất nào đạt tới chính xác 0 độ Kelvin.

Chúng ta lại tiếp tục rối não vì nếu thực tế không thể phát hiện vật chất ở độ 0 tuyệt đối thì lấy cái gì để làm chuẩn mà đánh dấu điểm 0 độ Kelvin ? Câu hỏi này phát sinh câu hỏi kia.

Hãy nhìn đồ thị dưới đây:
Sâu xa trong vật lý lý thuyết, Ngay cả những trạng thái vật chất rất lạnh như ngưng tụ Bose-Einstein cũng có nhiệt độ lớn hơn 0 K. Quan sát này phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg; nếu vật chất ở chính xác 0 K, luôn tìm được hệ quy chiếu trong đó vận tốc chuyển động của chúng là 0 và vị trí không thay đổi, nghĩa là đo được chính xác cùng lúc vị trí và động lượng của hệ, vi phạm nguyên lý bất định.

Trở lại câu hỏi chính, ta có thể nói rằng, lý do để độ K được sử dụng là vì nó rất hữu dụng trong nghiên cứu vật lý, nó liên quan trực tiếp đến bản chất nhiệt của vật chất. Do đó nó được dùng trong nghiên cứu thay vì độ C, vốn chỉ liên quan đến tính chất của một loại vật chất là nước.

Phạm vi sử dụng của đơn vị Kelvin

Khoa học và nghiên cứu

Đơn vị Kelvin được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học đặc biệt là trong lĩnh vực vật lý, hóa học và thiên văn học. Nhiệt độ Kelvin thường được sử dụng trong các công thức và phương trình liên quan đến nhiệt độ, đặc biệt là khi làm việc với nhiệt độ tuyệt đối.

Công nghiệp và kỹ thuật

Đơn vị Kelvin được sử dụng trong công nghiệp và kỹ thuật để đo và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất và chế tạo. Trong kỹ thuật Kelvin được sử dụng để tính toán các phương trình ở trạng thái nhiệt độ tuyệt đối.

Là thứ nguyên cho các đơn vị đo khác

Đơn vị Kelvin đứng một mình chỉ có ý nghĩa đo nhiệt độ tuyệt đối. Tuy nhiên dẫn xuất của nó thì lại rất phong phú, theo UN/CEFACT, có rất nhiều đơn vị như:

• µm/K : micrometre per kelvin, ứng dung trong các vấn đề không thời gian. Ví dụ sự nở ra theo nhiệt độ của một loại chất rắn chẳng hạn.
• mbar/K: millibar per kelvin, ứng dụng trong cơ khí, mô tả sự phụ thuộc áp suất rất nhỏ theo nhiệt độ
• cP/K : centipoise per kelvin, ứng dụng trong cơ khí, mô tả độ nhớ trong động học chất lỏng các đường ống dẫn dầu chẳng hạn
• J/K: joule per kelvin, ứng dụng trong nhiệt học, mô tả sự phụ thuộc năng lượng vào nhiệt độ. Ví dụ như nhiệt dung riêng của một chất chẳng hạn.

Nói chung có rất nhiều ứng dụng của đơn vị Kelvin mà ta không thể kể xiết.

Dụng cụ đo Kelvin ?

Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện - hay Thermocouple -  là một cảm biến nhiệt độ được tạo ra từ hai dây kim loại khác nhau được nối với nhau. Nó tạo ra một điện thế dựa trên sự thay đổi nhiệt độ và sau đó kết quả được chuyển thành độ Kelvin.

Cặp nhiệt điện hoạt động đựa trên hiện tượng Seebeck là một hiện tượng nổi tiếng trong vật lý điện.

Nguyên lý đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện

Nguyên tắc của Seebeck, khi hai kim loại khác nhau được kết hợp để tạo thành một vòng đóng (Closed loop) và hai đầu vủa vòng này được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau sẽ xuất hiện một điện thế giữa hai đầu của vòng. Điện thế này phụ thuộc vào sự khác biệt nhiệt độ giữa hai đầu và tính chất điện của hai kim loại.

Cấu tạo của nhiệt kế sử dụng cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện Thermocouple có ưu điểm là phạm vi nhiệt độ rộng, tính ổn định và khả năng chống lại ảnh hưởng của môi trường, thường được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp và khoa học để đo lường và kiểm soát nhiệt độ.

Nhiệt kế hồng ngoại

Nhiệt kế hồng ngoại (Infrared Thermometer): Cảm biến hồng ngoại có thể sử dụng để đo lường nhiệt độ và chuyển đổi kết quả thành đơn vị đo Kelvin. Thiết bị này thích hợp trong các ứng dụng cần độ chính xác cao.

Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế hồng ngoại: Bất kỳ vật nào có nhiệt độ trên -273 độ C đều phát ra bức xạ nhiệt hay sóng hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại sẽ đo được mức năng lượng phát ra sau đó tính toán và hiển thị kết quả trên màn hình.

Nhiệt kế hồng ngoại có ưu điểm là khả năng đo mà không cần tiếp xúc trực tiếp lên vật thể. Giúp thuận tiện trong đo lường nhiệt độ cơ sở hạ tầng đến kiểm tra nhiệt độ cơ thể trong lĩnh vực y tế.Lưu ý rằng tùy vào điều kiện môi trường và các yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo.

Quang phổ kế

Quang phổ kế là máy phân tích ánh sáng cho biết trong nguồn sáng, ở mỗi bước sóng sẽ tập trung năng lượng thế nào.

• λ max : Bước sóng tập trung năng lượng lớn nhất (đỉnh đồ thị quang phổ bức xạ)
• b: Hằng số Boltzmann đã được biết trước
• T Nhiệt độ vật thể

Như vậy, quang phổ kế đo bức xạ từ vật thể, có thể xác định được nhiệt độ vật thể. Đây là cách người ta đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin của các ngôi sao xa xôi.

Ý nghĩa độ lớn bé của Kelvin

Khi nói về độ lớn bé của đơn vị Kelvin ta có thể hiểu là nhiệt độ hoặc sự chênh lệch giữa hai giá trị nhiệt độ hoặc sự biến đổi nhiệt độ trong một số trường hợp cụ thể. Đơn vị Kelvin thường được sử dụng trong khoa học và kỹ thuật, đặc biệt khi liên quan đến nhiệt độ tuyệt đối và các quá trình nhiệt động và độ lớn bé của nhiệt độ Kelvin có ý nghĩa quan trọng.

Độ lớn bé đơn vị của Kevin thường liên quan đến các quá trình năng lượng và các hiện tượng vật lý đặc biệt như nhiệt độ của các ngôi sao hay các thí nghiệm khoa học. Trong kỹ thuật độ lớn bé của Kelvin là yếu tố quan trọng khi đo lường và nghiên cứu về các hiện tượng như nhiệt độ, hiệu ứng nhiệt lượng, biến đổi pha và các quá trình nhiệt động. ví dụ như

• 38 phần nghìn tỷ độ K ( tức 0.000000000038K) là nhiệt độ thấp nhất được các nhà nghiên cứu Đức tạo ra trong phòng thí nghiệm tính đến ngày 14/10/2021 (theo tạp chí Live Science)
• 1 độ K là nhiên độ tự nhiên lạnh nhất ở tinh vân Boomerang nằm trong chòm sao Centaurus, cách Trái Đất khoảng 5.000 năm ánh sáng
• 100 triệu độ K là nhiệt độ mà con người đã tạo ra tại cơ sở Nghiên cứu Tiên tiến Tokamak Siêu dẫn Hàn Quốc (KSTAR), thuộc Đại học Quốc gia Seoul (SNU) vào tháng 1/2023. Lõi mặt trời có nhiệt độ ước tính 15 triệu độ K còn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ con người tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Trong đời sống hàng ngày độ lớn bé của đơn vị Kelvin có thể giúp ta hiểu về rõ về biến đổi nhiệt độ môi trường xung quanh giúp ta dễ dàng điều chỉnh các hoạt động hàng ngày.
Ví dụ:

• Nhiệt độ trên bề mặt Mặt Trời là: 5772 độ K.
• Nhiệt độ bên trong lõi Trái Đất là 5.700 độ K.
• Nhiệt độ của con người là 37 độ C tương đương là 310 độ K.

Bảng quy đổi đơn vị Kelvin ra các đơn vị đo nhiệt độ khác

Ngoài đơn vị Kelvin thì còn có nhiều đơn vị đo nhiệt độ khác như: Celsius(°C), Delisle(°De), Fahrenheit(°F), Newton(°N), Rankine(°Ra), Réaumur(°R), Rømer(°Rø). Dưới đây là bảng quy đổi đơn vị trong hệ đo nhiệt độ.

Công thức đổi nhiệt độ theo đơn vị Kelvin ra nhiệt độ Celsius(°C)

• C là nhiệt độ Celsius cần tính, đo bằng °C
• K là nhiệt độ Kelvin cần đổi, đo bằng Kelvin

Công thức đổi nhiệt độ Kelvin ra Fahrenheit

Công thức đổi độ K ra độ F như sau:

Công thức đổi nhiệt độ Kelvin ra độ Newton

Công thức đổi °K ra °N như sau: Ví dụ: Nhiệt độ nước đóng băng 273K thì là bao nhiêu độ Niư-tơn ? kết quả là (273 – 273.15) x 33/100 = -0.0495 (ºN)

Công thức đổi nhiệt độ Kelvin ra nhiệt độ Rankine

Nhiệt độ Rankine cũng là một nhiệt giai đo nhiệt độ tuyệt đối, cách đổi như sau:

Đơn vị Kelvin trong thơ ca

Đơn vị Kenvin quan trọng đến mức, có hẳn những bài thơ về nó, giả dụ như bài thơ sau đây:


Dĩ nhiên còn nhiều bài thơ khác nữa, để bài viết có tính thi vị, chúng tôi đăng tạm bài thơ trên và xin tạm dừng ở đây.