Kelvin (eenheid)

Kelvin (symbool: K) is de eenheid van thermodynamische temperatuur; een van de zeven basiseenheden van het SI-stelsel.

Geschiedenis

De schaal is genoemd naar de Britse fysicus William Thomson (1824-1907), in 1882 verheven tot baron Kelvin en bekend als Lord Kelvin. Deze had in 1848 voor het eerst de waarde van het absolute nulpunt van temperatuur met vrij grote nauwkeurigheid berekend op 273 °C en stelde toen een absolute temperatuurschaal voor, te rekenen in graden Celsius vanaf dat nulpunt. Aanvankelijk sprak men vaak van de "absolute Celsiusschaal".

In 1954 legde de tiende Algemene Conferentie van Maten en Gewichten (CGPM) officieel de absolute temperatuurschaal vast op basis van het tripelpunt van water. De eenheid werd toen officieel "graad Kelvin" (symbool °K) genoemd. De dertiende CGPM (1967/1968) veranderde de naam in "kelvin" (symbool K), dus zonder "graden" en indien voluit geschreven zonder hoofdletter. Het laatste was overeenkomstig andere standaardeenheden (meter, watt enz.), die voluit ook zonder hoofdletter worden geschreven. Deze verandering gold niet voor andere temperatuurseenheden (graden Celsius, Fahrenheit enz.)

In 2005 begon het Internationaal Comité voor Maten en Gewichten (CIPM) een onderzoek naar een nieuwe definitie op basis van de constante van Boltzmann, nadat gebleken was dat er variaties in de exacte waarde van het tripelpunt van water kunnen bestaan, afhankelijk van de gebruikte isotopen. De nieuwe definitie werd in 2018 aanvaard door de 26ste CGPM als onderdeel van een algemene herziening van het SI. Ze werd van kracht op 20 mei 2019, de 144ste verjaardag van de Meterconventie.

Definitie

Van 1954 tot 2019

De definitie van de kelvin-temperatuurschaal bestaat uit twee delen:

0 K is gelijk aan het absolute nulpunt, de laagste temperatuur die theoretisch bereikbaar is (alle moleculaire beweging is bij deze temperatuur afwezig).
1 K is het 1/273,16e deel van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water. Dit tripelpunt ligt 0,01 °C (graden Celsius) hoger dan het smeltpunt van ijs. Vandaar dat in de omrekening naar graden Celsius de waarde −273,15 gebruikt wordt, want 0 °C is gedefinieerd als de temperatuur van smeltend ijs in water bij p = p₀.

In de definitie van de kelvin wordt gerefereerd aan water met de volgende isotopenverhouding:

0,000 155 76 mol deuterium per mol protium [²H/¹H],
0,000 379 9 mol zuurstof-17 per mol zuurstof-16 [¹⁷O/¹⁶O],
0,002 005 2 mol zuurstof-18 per mol zuurstof-16 [¹⁸O/¹⁶O].

Sinds 20 mei 2019

Sinds 20 mei 2019 wordt de boltzmannconstante niet meer experimenteel bepaald. In de herdefinitie van de basiseenheden wordt aan deze constante een exacte waarde toegekend (1,380 649·10⁻²³ J K⁻¹). De kelvin wordt vervolgens van die waarde afgeleid: de thermodynamische temperatuur stijgt met 1 K als de thermische energie 1,380 649·10⁻²³ J stijgt. Als gevolg daarvan is het tripelpunt van water sinds 20 mei 2019 niet meer exact 273,16 kelvin, maar wel met grote nauwkeurigheid daaraan gelijk.

Verband met de Celsiusschaal

De schaal van Kelvin is in feite afgeleid van de schaal van Celsius, met een ander nulpunt. De Celsiusschaal kan worden uitgedrukt in kelvin maar er is een belangrijk verschil. In de thermodynamica kent men het begrip thermische energie. Grofweg is dat de energie die in de thermische beweging van de moleculen opgeslagen is. Deze energie is evenredig met de absolute temperatuur T:

E_thermisch = kT

De evenredigheidsconstante k heet de boltzmannconstante en heeft als eenheid joule per kelvin (J/K). Dat wil zeggen dat als de absolute temperatuur twee keer zo hoog is, er ook twee keer zo veel thermische energie aanwezig is. Deze uitspraak geldt voor een absolute temperatuurschaal, zoals de kelvinschaal, maar niet voor de Celsiusschaal. De kelvin is een absolute eenheid met een natuurlijk nulpunt, net als de joule, de ampère en bijna alle andere eenheden. Bij de Celsiusschaal is dit niet zo.

Bij zeer hoge temperaturen is er nauwelijks verschil tussen de aanduiding in kelvin en in graden Celsius. De temperatuur in het inwendige van de zon is in populaire literatuur vaak 15 miljoen graden Celsius, en in wetenschappelijke literatuur 15 miljoen kelvin. Dat is niet significant verschillend.

Kleurtemperatuur

Ook de kleurtemperatuur wordt meestal in kelvin aangegeven.

Unicode

Het kelvinsymbool K is opgenomen in Unicode als U+212A en ziet er normaal gesproken exact hetzelfde uit als een hoofdletter K. De lezer vergelijke K en K.

Externe links

(en) Conversion calculator for units of temperature
(en) SI-definities (pdf)