Kelvin
SI-basiseenheid · grootheid: thermodynamische temperatuur
01 · Definitie
De kelvin is de enige eenheid die temperatuur meet vanaf het werkelijke begin van de schaal en niet vanaf een handig nulpunt. En de enige die via energie is gedefinieerd: in het SI is temperatuur de energie van de warmtebeweging, niet meer.
Sinds 2019 is de kelvin vastgelegd door de constante van Boltzmann: k = 1,380 649·10⁻²³ joule per kelvin. Eén kelvin is die temperatuurverandering waarbij de thermische energie kT precies met 1,380 649·10⁻²³ joule verandert. Het nulpunt van deze schaal is geen afspraak maar het punt waar de warmtebeweging stopt.
Een negatieve absolute temperatuur bestaat niet: bij 0 K stopt de warmtebeweging. Het nulpunt bereiken is onmogelijk — de derde hoofdwet van de thermodynamica. Het laboratoriumrecord is 38 picokelvin, maar geen nul.
02 · Omrekening
Voer een temperatuur in — het paspoort rekent hem om
De kelvin is de enige temperatuurschaal waarbij SI-voorvoegsels zin hebben: millikelvin in een kryostaat, megakelvin in een ster. Celsius en Fahrenheit hebben een verschoven nulpunt, daarom verdragen ze noch voorvoegsels noch vermenigvuldiging — alleen een verschuiving en een factor.
In de praktijk wordt de temperatuur niet uit de constante van Boltzmann berekend, maar geijkt aan de vaste punten van de ITS-90: het tripelpunt van water, de stolpunten van tin, zink, zilver en goud — zeventien vastgelegde waarden.
| Eenheid | Naam | Waarde | Waar hij voorkomt |
|---|---|---|---|
| µK | microkelvin | 2,95·10⁸ µK | laserkoeling, atoomvallen |
| mK | millikelvin | 295 000 mK | kryostaten, kwantumcomputers |
| K | kelvin | 295 K | de basisnotatie van temperatuur in het SI |
| kK | kilokelvin | 0,295 kK | plasma, bogen, steroppervlakken |
| MK | megakelvin | 2,95·10⁻⁴ MK | sterkernen, fusie-installaties |
SI-voorvoegsels werken alleen met de kelvin: Celsius en Fahrenheit hebben een verschoven nulpunt en krijgen geen voorvoegsels
03 · Ordes van grootte
van picokelvin tot quark-gluonplasmaKamertemperatuur, 295 K
04 · Meetinstrumenten
Waarmee men kelvin meet
De geluidssnelheid in een edelgas hangt rechtstreeks samen met kT. De primaire methode waarmee de constante van Boltzmann zelf werd gemeten voordat zij werd vastgelegd.
De thermische Johnson-ruis in een weerstand is evenredig met kT. Hij werkt van millikelvin tot duizenden kelvin zonder ijking.
Hij leest de temperatuur uit het stralingsspectrum via de wet van Planck — zo meet men ovens, metaal bij het gieten en steroppervlakken.
Een ampul met water waarin ijs, water en damp uit zichzelf 273,16 K vasthouden. Het werkpunt voor het doorgeven van de schaal, reproduceerbaar tot 0,1 mK.
05 · Schrijfregels
Gewoon K — zonder gradenteken en zonder punt
Het teken «°K» werd in 1967 afgeschaft: de kelvin is geen graad maar een zelfstandige eenheid, dus schrijft men 300 K. Het symbool is een hoofdletter omdat het een achternaam is; de naam van de eenheid wordt met een kleine letter geschreven: «driehonderd kelvin». Temperatuurverschillen worden in het SI in kelvin geschreven, ook als de temperaturen zelf in Celsius staan.
06 · Buureenheden
De kelvin staat naast de joule — de constante van Boltzmann verbindt ze rechtstreeks. De graad Celsius is de enige afgeleide eenheid waarvan de definitie de kelvin bevat: dezelfde stapgrootte, alleen met een nulpunt verschoven naar 273,15 K.
Bij kamertemperatuur is kT ≈ 0,025 eV — deze waarde stelt de drempel voor halfgeleiders en chemische reacties.
07 · Historische afdeling
Hoe men het absolute nulpunt zocht
William Thomson stelde een schaal voor waarvan het nulpunt het ophouden van de warmtebeweging is, met de stapgrootte van Celsius. Zij werd «°A» geschreven — absolute.
Hetzelfde idee van het absolute nulpunt, maar met de Fahrenheit-stap. Zij leeft voort in de Amerikaanse warmtetechniek: 1 K = 1,8 °Ra.
De kelvin was 1/273,16 van de temperatuur van het tripelpunt — hij hing dus af van de eigenschappen van één stof en haar isotopensamenstelling.
Met gradenteken en het woord «graad». Afgeschaft in 1967: de kelvin is geen graad maar een basiseenheid met een eigen nulpunt.
De kelvin raakte het water kwijt, maar het water bleef aan het werk
De definitie via het tripelpunt van water had een vervelend detail: de temperatuur van dat punt hangt af van de isotopensamenstelling — zwaar water bevriest anders dan gewoon water, en men moest een referentiesamenstelling van oceaanwater vastleggen. Met de vastgelegde constante van Boltzmann werd de definitie stofvrij; in de praktijk blijft de tripelpuntcel echter het werkpaard: de primaire realisatie is duur, en de waterampul reproduceert 273,16 K tot op een tiende millikelvin.
Catalogus · Het Internationale Stelsel van Eenheden
Een paspoort voor elke grootheid
Zeven basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met eigen namen en een archief van buiten gebruik gestelde stelsels. Elk is een eigen blad: definitie, dimensie, omrekening, instrumenten, schrijfregels. In 36 talen.
Basiseenheden
open het paspoort van de kelvinAfgeleide met eigen naam
in terracotta — de enige die via de kelvin is gedefinieerdHistorische stelsels
archief van notatiesTaal van het paspoort
36 talen. Het symbool K en de formules worden niet vertaald — ze zijn in alle taalversies identiek; vertaald worden de beschrijving, de voorbeelden en de schrijfregels van elk schrift.