- Picokelvin
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Kelvin
Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »)[note 1].
Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (H2O), et une variation de température de 1 K est équivalente à une variation de 1 °C[1]. Toutefois, à la différence du degré Celsius, le kelvin est une mesure absolue de la température qui a été introduite grâce au troisième principe de la thermodynamique. La température de 0 K est égale à -273,15 °C et correspond au zéro absolu (le point triple de l'eau est donc à la température 0,01 °C).
N'étant pas une mesure relative, le kelvin n'est jamais précédé du mot « degré » ni du symbole « ° », contrairement aux degrés Celsius ou Fahrenheit. À l'origine, en 1954, le kelvin s'appelait le « degré Kelvin » et s'écrivait alors °K[2]. Le « degré » fut supprimé lors de la 13e CGPM en 1967 et son symbole devint K[3].
Sommaire
Échelle kelvin des températures
L'échelle de températures Celsius est, par définition, la température absolue décalée en origine de 273,15 K :
- avec la température en °C et la température en K.
Le zéro absolu est donc situé à -273,15 °C. Les intervalles de l'échelle du degré Celsius sont identiques à ceux du kelvin.
L'échelle Fahrenheit est une échelle anglo-saxonne affine de l'échelle Celsius :
- avec la température en °F et la température en °C.
L'inverse de la température est un paramètre qui intervient souvent dans les formules. Les physiciens utilisent parfois le paramètre β tel que :
- où est la constante de Boltzmann.
Chaque échelle présente son avantage, d'où leur co-existence.
Conversion vers les autres unités
- degrés Celsius en kelvins : K = °C + 273,15
- kelvins en degrés Celsius : °C = K - 273,15
- degrés Fahrenheit en kelvins : K = (°F + 459,67) / 1,8 gtp
- kelvins en degrés Fahrenheit : °F = K × 1,8 − 459,67.
Construction et conséquence de l'unité Kelvin
La fraction 1/273,16 est due au choix du point triple de l'eau comme point de référence, et à la volonté de définir une unité de température permettant de retrouver les intervalles de températures usuels associés aux anciennes échelles de température. Bien que la définition officielle du degré Celsius soit basée sur celle du kelvin, ce dernier a été établi postérieurement.
Historiquement les points de référence choisis pour construire les échelles de température étaient la température de congélation de l'eau, qui définit le zéro, et la température d'ébullition, fixée à 100. Ces deux points définissaient ainsi une échelle centigrade dont le pas est un centième de la différence de température entre ces deux points. Cette échelle de température a longtemps été confondue avec l'échelle Celsius.
La notion de température thermodynamique, et implicitement celle de température absolue, introduit la notion de zéro absolu, rendant inutile la référence à deux points. Un seul point fixe de référence suffit. Le point triple de l'eau, c'est-à-dire les conditions dans lesquelles coexistent les trois états (liquide, solide et gazeux) de l'eau, est un point de température et de pression invariantes (variance nulle). Il constitue donc un point fixe fondamental de référence[1], plus stable que la température de congélation, par exemple, qui varie avec la pression.
Ayant adopté ce point de référence, il reste à définir la variation ou l'intervalle d'un kelvin qui est la suivante : Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.
Celle-ci devient en retour la référence de la définition du degré Celsius, qui devient suite à cette réforme une unité dérivée du système international : l'unité de température Celsius est égale à l'unité de température kelvin par définition, tout intervalle de température ayant la même valeur numérique dans les deux unités[1].
En revanche, du fait de ce choix d'unité, la température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique n'est plus de 100 °C mais de 99,975 °C. Néanmoins ce choix menant à un écart très faible avec la valeur 100, il permet de maintenir les définitions courantes des points de congélation et d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique : respectivement 0 °C et approximativement 100 °C. En toute rigueur seule l'échelle centigrade, obsolète, attribue encore la valeur exacte 100 à la température de ce point d'ébullition.
En 2005, la définition a été raffinée[4] en spécifiant la composition isotopique de l’eau dont le point triple est utilisé :
- 0,000 155 76 mole de 2H par mole de 1H
- 0,000 379 9 mole de 17O par mole de 16O
- 0,002 005 2 mole de 18O par mole de 16O
Cette composition est celle du matériau de référence de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIÉA) connu sous le nom de "Vienna Standard Mean Ocean Water" (VSMOW), tel que recommandé par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) dans J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman, et P. D. P. Taylor (2003), Atomic Weights of the Elements: Review 2000 (IUPAC Technical Report), Pure and Applied Chemistry, Vol. 75, No. 6, pp. 683–800.
Multiples du kelvin
multiples actuels : Préfixes du système international d'unités.10 N Préfixe Symbole Nombre 1024 yottakelvin YK Quadrillion 1021 zettakelvin ZK Trilliard 1018 exakelvin EK Trillion 1015 pétakelvin PK Billiard 1012 térakelvin TK Billion 109 gigakelvin GK Milliard 106 mégakelvin MK Million 103 kilokelvin kK Mille 102 hectokelvin hK Cent 101 décakelvin daK Dix 100 kelvin K Un 10-1 décikelvin dK Dixième 10-2 centikelvin cK Centième 10-3 millikelvin mK Millième 10-6 microkelvin μK Millionième 10-9 nanokelvin nK Milliardième 10-12 picokelvin pK Billionième 10-15 femtokelvin fK Billiardième 10-18 attokelvin aK Trillionième 10-21 zeptokelvin zK Trilliardième 10-24 yoctokelvin yK Quadrillionième Anciens multiples et sous-multiples du kelvin : 10 N Préfixe Symbole Nombre en français Nombre en chiffre 104 myriakelvin maK Dix mille 10 000 10-4 myriokelvin moK Dix-millième 0,000 1 Autres échelles de température
Différentes échelles sont utilisées pour mesurer la température : l’échelle Newton (établie vers 1700), Rømer (1701), Fahrenheit (1724), Réaumur (1731), Delisle (1738), centigrade (de Celsius) (1742), Rankine (1859), kelvin (1862), Leyden (ca. 1894?) et Celsius (1948).
Comparaison des échelles de température1 Commentaire kelvin2 Celsius centigrade Fahrenheit Rankine Delisle Newton Réaumur Rømer Zéro absolu 0 −273,15 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90 Plus basse température enregistrée à la surface de la Terre3 184 −89 −128,2 331,47 283,5 −29,37 −71,2 −39,225 Mélange eau/sel de Fahrenheit 255,37 −17,78 0 459,67 176,67 −5,87 −14,22 −1,83 Température de fusion de l’eau (à la pression standard) 273,15 0 0 32 491,67 150 0 0 7,5 Température moyenne à la surface de la Terre 288 15 59 518,67 127,5 4,95 12 15,375 Température moyenne du corps humain 309,95 36,8 98,24 557,91 94,8 12,144 29,44 26,82 Plus haute température enregistrée à la surface de la Terre4 331 58 136,4 596,07 63 19,14 46,4 37,95 Température de vaporisation de l’eau (à la pression standard) 373,125 99,975 100 212 671,67 0 33 80 60 Température de fusion du titane 1 941 1 668 3 034 3 494 −2 352 550 1 334 883 Température de la surface du Soleil 5 800 5 526 9 980 10 440 −8 140 1 823 4 421 2 909 1. Certains nombres de ce tableau ont été arrondis.
2. La désignation de l’échelle « kelvin » est tout en minuscules car c’est une unité du Système international, même si elle porte le nom de Lord Kelvin.
3. Enregistrée à la Base antarctique Vostok le 21 juillet 1983
4. Enregistrée à El Azizia en Libye le 13 septembre 1922.Notes et références
- Notes
- ↑ Le degré Celsius est la seule unité métrique dont le nom complet comporte une majuscule ; en revanche le symbole du kelvin s'écrit avec une majuscule pour le distinguer du préfixe SI de multiples en « kilo- ».
- Références
- ↑ a , b et c Unité de température thermodynamique (kelvin), Bureau international des poids et mesures.
- ↑ Résolution 3 de la 10e réunion de la CGPM (1954), Bureau international des poids et mesures.
- ↑ Résolution 3 de la 13e réunion de la CGPM (1967/68), Bureau international des poids et mesures.
- ↑ CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005 [pdf]
Liens externes
- Conversion de kelvin vers autres unités de température
- Convertisseur en ligne des unités de température
- Portail de la physique
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