Kelvin
Unità di base SI · grandezza: temperatura termodinamica
01 · Definizione
Il kelvin è l'unica unità che misura la temperatura dal vero inizio della scala e non da uno zero comodo. E l'unica definita tramite l'energia: nel SI la temperatura è l'energia del moto termico, niente di più.
Dal 2019 il kelvin è fissato dalla costante di Boltzmann: k = 1,380 649·10⁻²³ joule per kelvin. Un kelvin è quella variazione di temperatura per cui l'energia termica kT cambia esattamente di 1,380 649·10⁻²³ joule. Lo zero di questa scala non è una convenzione, ma il punto in cui il moto termico cessa.
La temperatura assoluta negativa non esiste: a 0 K il moto termico si ferma. Raggiungere lo zero è impossibile — terzo principio della termodinamica. Il record di laboratorio è di 38 picokelvin, ma non zero.
02 · Conversione
Inserisci una temperatura — il passaporto la convertirà
Il kelvin è l'unica scala di temperatura in cui i prefissi SI hanno senso: millikelvin in un criostato, megakelvin in una stella. Celsius e Fahrenheit hanno lo zero spostato, perciò non ammettono né prefissi né moltiplicazione — solo uno spostamento e un fattore.
In pratica la temperatura non si calcola dalla costante di Boltzmann, ma si confronta con i punti fissi della ITS-90: punto triplo dell'acqua, punti di solidificazione di stagno, zinco, argento e oro — diciassette valori fissati.
| Unità | Nome | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|---|
| µK | microkelvin | 2,95·10⁸ µK | raffreddamento laser, trappole per atomi |
| mK | millikelvin | 295 000 mK | criostati, computer quantistici |
| K | kelvin | 295 K | la scrittura di base della temperatura nel SI |
| kK | chilokelvin | 0,295 kK | plasma, archi, superfici stellari |
| MK | megakelvin | 2,95·10⁻⁴ MK | nuclei stellari, impianti a fusione |
I prefissi SI funzionano solo col kelvin: Celsius e Fahrenheit hanno lo zero spostato e non si applicano loro prefissi
03 · Ordini di grandezza
dai picokelvin al plasma di quark e gluoniTemperatura ambiente, 295 K
04 · Strumenti di misura
Con cosa si misurano i kelvin
La velocità del suono in un gas nobile è legata direttamente a kT. Il metodo primario con cui fu misurata la costante di Boltzmann stessa prima di fissarla.
Il rumore termico di Johnson in una resistenza è proporzionale a kT. Funziona dai millikelvin a migliaia di kelvin senza taratura.
Legge la temperatura dallo spettro di radiazione tramite la legge di Planck — così si misurano forni, metallo in colata e superfici stellari.
Un'ampolla d'acqua dove ghiaccio, acqua e vapore tengono 273,16 K da soli. Il punto di lavoro per trasferire la scala, riproducibile a 0,1 mK.
05 · Regole di scrittura
Solo K — senza segno di grado e senza punto
Il segno «°K» è stato abolito nel 1967: il kelvin non è un grado ma un'unità a sé stante, perciò si scrive 300 K. Il simbolo è maiuscolo perché è un cognome; il nome dell'unità si scrive minuscolo: «trecento kelvin». Le differenze di temperatura nel SI si scrivono in kelvin, anche quando le temperature stesse sono in Celsius.
06 · Unità vicine
Il kelvin sta accanto al joule — la costante di Boltzmann li lega direttamente. Il grado Celsius è l'unica unità derivata la cui definizione contiene il kelvin: stessa ampiezza di passo, solo con lo zero spostato a 273,15 K.
A temperatura ambiente kT ≈ 0,025 eV — questo valore fissa la soglia per i semiconduttori e le reazioni chimiche.
07 · Sezione storica
Come si cercava lo zero assoluto
William Thomson propose una scala il cui zero è la cessazione del moto termico, con il passo preso da Celsius. Si scriveva «°A» — absolute.
La stessa idea dello zero assoluto, ma con il passo di Fahrenheit. Sopravvive nella termotecnica americana: 1 K = 1,8 °Ra.
Il kelvin era 1/273,16 della temperatura del punto triplo — dipendeva cioè dalle proprietà di una sola sostanza e dalla sua composizione isotopica.
Con il segno di grado e la parola «grado». Abolito nel 1967: il kelvin non è un grado ma un'unità di base con uno zero proprio.
Il kelvin si è liberato dell'acqua, ma l'acqua è rimasta al lavoro
La definizione tramite il punto triplo dell'acqua aveva un dettaglio spiacevole: la temperatura di quel punto dipende dalla composizione isotopica — l'acqua pesante congela diversamente da quella ordinaria, e bisognava specificare una composizione di riferimento dell'acqua oceanica. Fissata la costante di Boltzmann, la definizione si è liberata da ogni sostanza; in pratica però la cella a punto triplo resta il cavallo da tiro: la realizzazione primaria è costosa, e l'ampolla d'acqua riproduce 273,16 K a un decimo di millikelvin.
Catalogo · Il Sistema internazionale di unità
Un passaporto per ogni grandezza
Sette unità di base, ventidue derivate con nomi propri e un archivio dei sistemi ritirati dall'uso. Ognuna è un foglio a sé: definizione, dimensione, conversione, strumenti, regole di scrittura. In 36 lingue.
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