En ny definition for SI enheden for temperatur: Kelvin. Jan Hald, Dansk Fundamental Metrologi Jan Nielsen, Teknologisk Institut



Relaterede dokumenter
6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Temperaturmåler. Klaus Jørgensen. Itet. 1a. Klaus Jørgensen & Ole Rud. Odense Tekniskskole. Allegade 79 Odense C /

Dette forudsætter, at alt stof i forvejen er opvarmet til smeltepunktet eller kogepunkt.

FYSIK C. Videooversigt. Intro video... 2 Bølger... 2 Den nære astronomi... 3 Energi... 3 Kosmologi videoer.

Begge bølgetyper er transport af energi.

FYSIK 3 / TERMODYNAMIK Københavns Universitet, 13. april, 2016, Skriftlig prøve

Atomure og deres anvendelser

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Transienter og RC-kredsløb

Mikrobølger til teglbrænding (MAGF) v/ Abelone Køster, Center for Murværk

Undervisningsbeskrivelse

Drivhuseffekten. Hvordan styres Jordens klima?

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Undersøgelse af lyskilder

Udvikling i det internationale metrologisamarbejde. Michael Kjær, Adm. Dir. DFM A/S

Nr Drivhusgasser - og deres betydning for klimaet Fag: Fysik A/B/C Udarbejdet af: Ole Ahlgren, Rønde Gymnasium, september 2009

Lys på vind og vand 2 LDV-måling for bestemmelse af vindhastighed og vandflow i nationale metrologilaboratorier

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Beskrivelse af det enkelte undervisningsforløb

Elementær termodynamik og kalorimetri

Øvelse i kvantemekanik Måling af Plancks konstant

1. Varme og termisk energi

Dronninglund Gymnasium Fysik skriftlig eksamen 27. maj 2011

Undervisningsbeskrivelse

Formelsamling i astronomi. Februar 2016

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

5 Plasmaopvarmning. Figur 5.1. De tre mest anvendte metoder til opvarmning af fusionsplasmaer.

Undervisningsbeskrivelse

Jakob Skovborg Sørensen Christian Dohrmann Mette Lunding Nielsen Lucas Paulsen

Brugsanvisning for styring og vedligeholdelse af vores varmesystem i Damhushave. 1. Det varme brugsvand (vandhanen og bruser)

Er Danmark på rette vej? En opfølgning på IDAs Klimaplan 2050 Status 2015

Undervisningsbeskrivelse

Standardmodellen og moderne fysik

Formelsamling i astronomi. November 2015.

Fysik A. Studentereksamen. Onsdag den 25. maj 2016 kl

Kvantefysik. Objektivitetens sammenbrud efter 1900

Sporbar eller på slump?

Atomer er betegnelsen for de kemisk mindste dele af grundstofferne.

ysikrapport: Maila Walmod, 1.3 HTX, Rosklide I gruppe med Morten Hedetoft, Kasper Merrild og Theis Hansen Afleveringsdato: 28/2/08

Når strømstyrken ikke er for stor, kan batteriet holde spændingsforskellen konstant på 12 V.

51 & 52 Series II. Brugsanvisning. Thermometer

Indledning 2. 1 Lysets energi undersøgt med lysdioder (LED) Udstyr Udførelse... 3

Strålingsintensitet I = Hvor I = intensiteten PS = effekten hvormed strålingen rammer en given flade S AS = arealet af fladen

HVOR FORSVINDER RØGEN HEN?

Solen - Vores Stjerne

Reaktionshastighed og ligevægt

Diodespektra og bestemmelse af Plancks konstant

Undervisningsbeskrivelse

Hvad skal vi lave i dag?

Relativitetsteori. Henrik I. Andreasen Foredrag afholdt i matematikklubben Eksponenten Thisted Gymnasium 2015

Spm. 1.: Hvis den totale koncentration af monomer betegnes med CT hvad er så sammenhængen mellem CT, [D] og [M]?

Termodynamik. Esben Mølgaard. 5. april N! (N t)!t! Når to systemer sættes sammen bliver fordelingsfunktionen for det samlede system

Betjeningsvejledning Elma Videostik med styrbar spids. El.nr

Undervisningsbeskrivelse

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

DET PERIODISKE SYSTEM

Hvornår kan man anvende zone-modellering og hvornår skal der bruges CFD til brandsimulering i forbindelse med funktionsbaserede brandkrav

Elektromagnetisk spektrum

Hvordan blev Universet og solsystemet skabt? STEEN HANNESTAD INSTITUT FOR FYSIK OG ASTRONOMI

Beskrivelse af det enkelte undervisningsforløb

Appendiks 1: Om baggrund og teori bag valg af skala

Lineære ligningssystemer

Undervisningsbeskrivelse

Bitten Gullberg. Solen. Niels Bohr Institutet

Jitt og projekter. Projektorganiseret undervisning og Just in time teaching. Forsøg udført på en 1.g (2.g) naturvidenskabelig studieretning

LAN typer. 1. Ethernet (CSMA/CD - ISO ) Indholdsfortegnelse

Forløbet Intro til fysik/ kemi er tænkt som det første forløb, eleverne møder i faget.

Fysikøvelse Erik Vestergaard Musik og bølger

Område: Regional Udvikling Afdeling: Strategi og analyse Dato: 16. juli 2009

Spektralanalyse. Jan Scholtyßek Indledning 1. 2 Formål. 3 Forsøgsopbygning 2. 4 Teori 2. 5 Resultater 3. 6 Databehandling 3

AIMT Hærderiet Induktionshærdning The Group of Aalberts Industries Material Technologies

Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

Reaktionsmekanisme: 3Br 2 + 3H 2 O. 5Br - + BrO H + Usandsynligt at alle 12 reaktantpartikler støder sammen samtidig. ca.

Undervisningsbeskrivelse for Fysik 3+ 4 semester Stamoplysninger til brug ved prøver til gymnasiale uddannelser

Preben Holm - Copyright 2002

Profilmodel 2012 Højeste fuldførte uddannelse

At lede lyset på nanovejen Side i hæftet

Fra Absolut Rum til Minkowski Rum

Fakta om den nye flaskekøler

Energitekniske grundfag 5 ECTS

Potensrækker. Morten Grud Rasmussen november Definition 1 (Potensrække). En potensrække er en uendelig række på formen

Undervisningsbeskrivelse

fs10 1 Jordvarme 2 Solenergi 3 Elpærer 4 Vindmøller 5 Papirfoldning Matematik 10.-klasseprøven Maj 2013

Modeldannelse og simulering

Klodens temperatur og drivhuseffekten.

Bilag til den indsigelse, som sommerhusgrundejerforeningerne på Samsø har fremsendt til Skov- og Naturstyrelsen den 27. april 2012.

Generelt er korrelationen mellem elevens samlede vurdering i forsøg 1 og forsøg 2 på 0,79.

Den ideelle operationsforstærker.

Brydningsindeks af vand

Fysikrapport: Rapportøvelse med kalorimetri. Maila Walmod, 1.3 HTX, Rosklide. I gruppe med Ulrik Stig Hansen og Jonas Broager

Stabilitet af rammer - Deformationsmetoden

Undervisningsbeskrivelse

AT-1. Oktober 09 + December 10 + November 11. CL+JW. Stenhus. side 1/5

Betjeningsvejledning Seba VM-880 Stophanesøger. El.nr

Støj er mindst mulig ved lavest mulig ISO indstilling Støj er mindst mulig ved største pixel (målt) i sensoren Lys mængde giver sig selv

Forløbet Stoffernes opbygning behandler stofs faseovergange, tilstandsformer, kogepunkt og smeltepunkt.

DES ÅRSKONFERENCE 2014 SESSION 1C FREDAG 12. SEPTEMBER SYNLIG LÆRING - VED HJÆLP AF DE NATIONALE TEST

Generel information om Zurc tavleinstrumenter

Atomets bestanddele. Indledning. Atomer. Atomets bestanddele

Transkript:

En ny definition for SI enheden for temperatur: Kelvin Jan Hald, Dansk Fundamental Metrologi Jan Nielsen, Teknologisk Institut

SI systemet Syv grundenheder: Masse Længde Tid Elektrisk strøm Luminositet Stofmængde Temperatur BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESURES (French) INTERNATIONAL BUREAU OF WEIGHTS AND MEASURES (English)

Temperatur Vigtig parameter i fysiske og kemiske processer Intuitiv forståelse svær Den her er dobbelt så varm som den der giver ikke mening Skala nødvendig som laver en sammenhæng mellem varme og begrebet temperatur

Hvad er en temperaturskala Formålet med en temperaturskala er at lave en praktisk håndterbar måde at angive temperaturer og justere termometre efter. Siden 1700 tallet har man været enige om at en skala skal være universel dvs. realiserbar i ethvert veludstyret laboratorium. En skala består af: Fikspunkter Et interpolerende/ekstrapolerende instrument matematik

Eksempel - Fahrenheit skalaen forslået 1724 af Daniel Gabriel Fahrenheit: Fikspunkter (inspireret af Ole Rømer 1708): 1. Is + vand + salmiak (1:1:1) = 0 F (-17.78 C derfra frysertemp.) 2. Is + vand = 32 F (0 C) da 32 kan halveres 5 gange uden brøker 3. kogende vand ved std. atmosfære = 212 F (99.97 C) oprindelig anvendte han kropstemperatur = 3x32 = 96 F dvs. 1 F = 1/180 af forskel mellem 2. og 3. Interpolerende instrument (inspireret af florentinske vig termometre Galilæo / Santorio ca. 1615) Kviksølv termometer fikspunktskalibreret og justeret Matematik relativ udvidelse af kviksølv/ glas som funktion af temperatur er lineær

Historiske temperaturskalaer (CIPM) 1889 Normal Hydrogen Scale (-25 C til 100 C) termodynamisk skala Fikspunkter: H2O FP, H2O BP, S BP baseret på Gastermometer 1927 ITS 27 (-193 C -???) Fikspunkter: fra O2 BP til Au FP (approximerer termodynamisk temperatur) baseret på (S)PRT til 630 C, TC (S) fra 630 C til 1064 C, Pyrometer herover 1948 IPTS 48 (-183 C -???) Småændringer i forhold til 1927 skalaen: fx ingen ekstrapolation med PRT, Plancks lov i stedet for Wiens forskydningslov 1960 IPTS 48 Vands tripel punkt udskifter is smeltepunkt 1968 IPTS 68 (-259 C til???) 6 nye fikspunkter Matematikken for interpolationen kompliceres 1975 EPT 75 (0,5 K til 30 K) Formål: at formindske usikkerheder pga. termodynamisk metode ved lave temperaturer 1990 ITS 90 (-272,5 C til???) 14 fikspunkter vands tripelpunkt bliver definerende fikspunkt For at måle hele området kræves: helium damptryk- og gastermometre, SPRT er og strålingstermometre Mere kompliceret matematik 2000 PLTS-2000 (Provisional Low Temperature Scale from 0.9 mk to 1 K) 2005 CIPM ændrer temperaturskalaens status fra at være en standard til at være implementering af mise en practique for Kelvinen (og åbner dermed op for alternativer) 2007 Vands tripelpunkts definition ændres 2011 Det besluttes at gå efter termodynamisk definition???? Ny skala (eller mise en practique ) på trapperne - måske

ITS 90

ITS 90

Problem: kender vi usikkerheden? wtp sml

Problem: kender vi usikkerheden?

Problem: Fastlæggelse af fikspunktstemperatur Al

Usikkerhed ITS 90 fixpunkter Fikspunkt T / C U (T90 bedst)/ mk U(T) /mk Al 660 0,6 50 Zn 420 0,2 13 Sn 232 0,2 10 In 156 0,2 6 Ga 30 0,1 2 H2O 0,01 0,05 1 Hg -39 0,1 3 Ar -189 0,2 3 Dvs. i praksis ingen forskel mht. til industriel måling og fordelene ved at indføre en ny definition vurderes langt større end ulemperne ved den forøgede usikkerhed

Hvorfor skifte? Den teknologiske udvikling af primære termometre gør nu måling af termodynamisk temperatur muligt med samme eller bedre nøjagtighed end ITS 90 Termodynamisk temperatur indgår i fysiske og kemiske modeller Vigtig med nøjagtig termodynamisk temperatur fx i klimamodeller og havstrømme Det hele bliver meget enklere hvis vi kan undgå fikspunkterne og SPRT erne

Hvad kan og vil der ske? Usikkerheden ved termodynamisk temperaturbestemmelse forventes at gå ned Umiddelbart bedre usikkerhed under -250 C og over 1000 C Frit valg mellem ITS og Termodynamisk temperatur men med tiden vil ITS forsvinde ITS vil i nær fremtid stadig være aktuel mellem 200 C og 960 C, men ved fastlæggelse af boltzmann konstanten vil usikkerhederne umiddelbart stige

Hvad kan og vil der ske? I 2005 blev temperaturskalaens status ændret fra at være en standard til at være en mise en practique for Kelvinen hvilket åbner op for mange muligheder specielt mht. til industrien (måske) fx: ligestilling mellem bad og fikspunktskalibrering via termodynamisk instrument frit valg mht. til interpolationsligninger og områder brug af alternative interpolationsinstrumenter fx iprt er, TC er osv. brug af termodynamiske instrumenter direkte men stadigvæk med kendt og dokumenteret usikkerhed

Eksempel Støjtermometer I et støjtermometer bestemmes temperaturen fra den termiske støj Johnson støjen fra en ohmsk modstand (fx en Pt 100) Støjtermometre er blevet udviklet de sidste 20 år og findes nu kommercielt tilgængelige. Usikkerheden går som 1/ N 10 10 målinger og 1 TB data for SPRT usikkerheder ved stuetemperatur Ved typisk industriel brug, med højere usikkerheder er måletiden sekunder

Ny temperaturdefinition Boltzmann konstanten Den termiske energi i mange fysiske love: E = k B T Energi af foton (lyskvant): E = h f Planck s konstant Frekvens Opvarmning ved absorption af n fotoner: T = n h f/k B Hvis k B og h fastlægges per definition bliver temperatur og tid ækvivalente Svarer til ækvivalens mellem tid og længde efter fastlæggelse af lyshastighed c = 299 792 458 m/s i 1984 ( λ = c/f ) Fastlæggelse af h indgår i arbejdet på redefinering af kilogrammet

Boltzmann konstant 1988-2010 Målt i 1988 ved NIST. Ét eksperiment, én metode (akustisk gastermometri - Argon) Relativ usikkerhed: 1,7 10-6 (Triplepunktcelle relativ usikkerhed ~ 2 10-7 ) = m : Argon atommasse T : Temperatur (vands triplepunkt) u 0 : Lydens hastighed i grænsen P 0

imera+ Boltzmann projekt 2008-2011 11 deltagere, 6 europæiske nationer + IRMM 8 eksperimenter, 3 metoder: Akustisk gastermometri Dielektricitetskonstant-gastermometri Dopplerforbredningstermometri Øget troværdighed af k B værdi før ny definition af temperaturskala

Dopplerforbredningstermometri Laser Gascelle Detektor z Maxwell hastighedsfordeling: Doppler skift af lys: Laser transmisssion: p(v z ) k B T m 500m/s f = f 0 (1-v z /c) 1 I/I 0 0 v z 0 f

Udfordringer Laser frekvensstabilitet: 500 MHz Liniebredde, 1 ppm på k B relativ stabilitet på laserfrekvens ~ 10-12! Laser effektstabilitet/detektorer: State of the art er ca 10-5 Gascelle temperaturnøjagtighed: < 1ppm (homogenitet/stabilitet) Linieprofil model: Laser transmisssion: Linieprofil modificeres af inter-molekylære kollisioner. Teori herfor har mange antagelser og approksimationer! 1 I/I 0 500 MHz 0 f

Eksperimentelle data 1.0 0.8 Transmission 0.6 0.4 0.2 0.0-2000 -1000 0 1000 2000 Laser frekvens offset (MHz)

Eksperimentelle data 1.0 0.8 Transmission 0.6 0.4 Residual x 1000 + 0.2 Reproducerbart! 0.2 0.0-2000 -1000 0 1000 2000 Laser frekvens offset (MHz)

Resultater fra projekt

Ny CODATA værdi (2010) u(k)/k 2008: 1.7 10-6 2010: 9.1 10-7 2010 værdi