Kelvin

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Le kelvin (symbole K, du nom de William Thomson (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 :

T = \theta + 273,15 \, avec \theta \, la température en °C et T \, 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 :

t' = 32 + 1,8 t\, avec t'\, la température en °F et t\, 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 :

\beta = \frac{1}{k_B T}\, où k_B\, est la constante de Boltzmann.

Conversion vers les autres unités

en pratique: une temperature de 0°C = 273K, une temperature de 1°C = 274K ...etc

  • 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
  • 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[5]
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

Notes et références

Notes
  1. ↑ En revanche, le symbole du kelvin s'écrit avec une majuscule, selon la norme SI concernant le symbole des unités dont le nom provient d'un nom propre de personne (le k minuscule est par ailleurs l'initiale du symbole SI des unités multiples en « kilo- » : km ; en particulier, le symbole du kilokelvin est kK).
Références
  1. ↑ a, b et c Unité de température thermodynamique (kelvin), Bureau international des poids et mesures.
  2. ↑ Résolution 3 de la 10e réunion de la CGPM (1954), Bureau international des poids et mesures.
  3. ↑ Résolution 3 de la 13e réunion de la CGPM (1967/68), Bureau international des poids et mesures.
  4. ↑ CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005 [PDF]
  5. ↑ Edinburgh Encyclopedia

Annexes

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