Kelvin
SI-Basiseinheit · Größe: thermodynamische Temperatur
01 · Definition
Das Kelvin ist die einzige Einheit, die Temperatur vom wirklichen Anfang der Skala misst und nicht von irgendeinem bequemen Nullpunkt. Und die einzige, die über Energie definiert ist: Temperatur ist im SI die Energie der Wärmebewegung, nicht mehr.
Seit 2019 ist das Kelvin durch Festlegung der Boltzmann-Konstante bestimmt: k = 1,380 649·10⁻²³ Joule je Kelvin. Ein Kelvin ist jene Temperaturänderung, bei der sich die thermische Energie kT um genau 1,380 649·10⁻²³ Joule ändert. Der Nullpunkt dieser Skala ist keine Vereinbarung, sondern die Stelle, an der die Wärmebewegung aufhört.
Eine negative absolute Temperatur gibt es nicht: bei 0 K kommt die Wärmebewegung zum Stillstand. Den Nullpunkt zu erreichen ist unmöglich — der dritte Hauptsatz der Thermodynamik. Der Laborrekord liegt bei 38 Pikokelvin, aber nicht bei null.
02 · Umrechnung
Geben Sie eine Temperatur ein — der Pass rechnet sie um
Das Kelvin ist die einzige Temperaturskala, bei der SI-Präfixe sinnvoll sind: Millikelvin im Kryostaten, Megakelvin im Stern. Celsius und Fahrenheit haben einen verschobenen Nullpunkt, deshalb vertragen sie weder Präfixe noch Multiplikation — nur Verschiebung und Faktor.
In der Praxis wird die Temperatur nicht aus der Boltzmann-Konstante berechnet, sondern an den Fixpunkten der ITS-90 abgeglichen: Tripelpunkt des Wassers, Erstarrungspunkte von Zinn, Zink, Silber und Gold — siebzehn festgelegte Werte.
| Einheit | Name | Wert | Wo sie vorkommt |
|---|---|---|---|
| µK | Mikrokelvin | 2,95·10⁸ µK | Laserkühlung, Atomfallen |
| mK | Millikelvin | 295 000 mK | Kryostaten, Quantencomputer |
| K | Kelvin | 295 K | die Basisschreibweise der Temperatur im SI |
| kK | Kilokelvin | 0,295 kK | Plasma, Lichtbögen, Sternoberflächen |
| MK | Megakelvin | 2,95·10⁻⁴ MK | Sternkerne, Fusionsanlagen |
SI-Präfixe funktionieren nur mit dem Kelvin: Celsius und Fahrenheit haben einen verschobenen Nullpunkt, Präfixe werden auf sie nicht angewendet
03 · Größenordnungen
von Pikokelvin bis zum Quark-Gluon-PlasmaRaumtemperatur, 295 K
04 · Messgeräte
Womit man Kelvin misst
Die Schallgeschwindigkeit in einem Edelgas hängt direkt mit kT zusammen. Das primäre Verfahren, mit dem die Boltzmann-Konstante vor ihrer Festlegung gemessen wurde.
Das Johnson-Wärmerauschen in einem Widerstand ist proportional zu kT. Es arbeitet von Millikelvin bis zu Tausenden Kelvin ohne Kalibrierung.
Es liest die Temperatur aus dem Strahlungsspektrum über das Plancksche Gesetz — so misst man Öfen, Metall beim Abguss und Sternoberflächen.
Eine Ampulle mit Wasser, in der Eis, Wasser und Dampf von selbst 273,16 K halten. Der Arbeitspunkt zur Weitergabe der Skala, reproduzierbar auf 0,1 mK.
05 · Schreibregeln
Einfach K — ohne Gradzeichen und ohne Punkt
Das Zeichen «°K» wurde 1967 abgeschafft: das Kelvin ist kein Grad, sondern eine eigenständige Einheit, deshalb schreibt man 300 K. Das Symbol ist groß, weil es ein Familienname ist; der Einheitenname wird klein geschrieben: «dreihundert Kelvin». Temperaturdifferenzen werden im SI in Kelvin geschrieben, auch wenn die Temperaturen selbst in Celsius angegeben sind.
06 · Nachbareinheiten
Das Kelvin steht neben dem Joule — die Boltzmann-Konstante verbindet beide unmittelbar. Das Grad Celsius ist die einzige abgeleitete Einheit, deren Definition das Kelvin enthält: dieselbe Schrittweite, nur mit einem auf 273,15 K verschobenen Nullpunkt.
Bei Raumtemperatur ist kT ≈ 0,025 eV — dieser Wert setzt die Schwelle für Halbleiter und chemische Reaktionen.
07 · Historische Abteilung
Wie man den absoluten Nullpunkt suchte
William Thomson schlug eine Skala vor, deren Nullpunkt das Aufhören der Wärmebewegung ist, mit der Schrittweite von Celsius. Sie wurde «°A» geschrieben — absolute.
Dieselbe Idee des absoluten Nullpunkts, aber mit der Fahrenheit-Schrittweite. Lebt in der amerikanischen Wärmetechnik weiter: 1 K = 1,8 °Ra.
Das Kelvin war 1/273,16 der Temperatur des Tripelpunkts — es hing also von den Eigenschaften eines einzigen Stoffes und seiner Isotopenzusammensetzung ab.
Mit Gradzeichen und dem Wort «Grad». 1967 abgeschafft: das Kelvin ist kein Grad, sondern eine Basiseinheit mit eigenem Nullpunkt.
Das Kelvin wurde das Wasser los, doch das Wasser blieb im Dienst
Die Definition über den Tripelpunkt des Wassers hatte einen unangenehmen Haken: die Temperatur dieses Punktes hängt von der Isotopenzusammensetzung ab — schweres Wasser gefriert anders als gewöhnliches, und man musste eine Referenzzusammensetzung des Ozeanwassers festlegen. Mit der Festlegung der Boltzmann-Konstante wurde die Definition stofffrei, in der Praxis bleibt die Tripelpunktzelle aber das Arbeitspferd: die primäre Realisierung ist teuer, und die Wasserampulle reproduziert 273,16 K auf ein Zehntel Millikelvin.
Katalog · Das Internationale Einheitensystem
Ein Pass für jede Größe
Sieben Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenen Namen und ein Archiv außer Gebrauch geratener Systeme. Jede ist ein eigenes Blatt: Definition, Dimension, Umrechnung, Messgeräte, Schreibregeln. In 36 Sprachen.
Basiseinheiten
den Pass des Kelvin öffnenAbgeleitete mit eigenem Namen
in Terrakotta — die einzige, die über das Kelvin definiert istHistorische Systeme
Archiv der NotationenSprache des Passes
36 Sprachen. Das Symbol K und die Formeln werden nicht übersetzt — sie sind in allen Sprachversionen identisch; übersetzt werden die Beschreibung, die Beispiele und die Schreibregeln der jeweiligen Schrift.