Kelvin

Kelvin (yksikön tunnus K) on SI-järjestelmän mukainen lämpötilan mittayksikkö ja yksi SI-järjestelmän perusyksikkö. Kelvinin lämpötila-asteikko on absoluuttinen asteikko, eli sillä on nollakohta absoluuttisessa nollapisteessä. Kelvin-asteikon arvo on suoraan verrannollinen aineen lämpöliikkeen energian odotusarvoon, minkä vuoksi se on tieteessä ja tekniikassa tärkeimmän asteikon asemassa. Kelvin-asteikon asteväli on sama kuin Celsius-asteikolla, eli lämpötilaeroja ilmaistaessa 1 K = 1 °C. Asteikon esitteli William Thomson eli lordi Kelvin vuonna 1848.

Määritelmä

Nykyisin kelvin on määritelty antamalla Boltzmannin vakiolle kiinteä lukuarvo 1,380 649 · 10⁻²³, kun yksikkönä on J K⁻¹, joka on sama kuin kg m² s⁻² K⁻¹.  Määritelmässä esiintyvät muut perusyksiköt kilogramma, metri ja sekunti on määritelty Planckin vakion (h), valonnopeuden (c ja cesiumin erään taajuuden (cesium-133-atomin häiriintymättömän perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välistä siirtymää vastaavan säteilyn taajuuden, ΔtCs) avulla.

Yksiköiden kirjoittaminen

Kelvin-asteikon nimi juontaa juurensa brittiläisen fyysikon William Thomsonin aatelisnimestä Kelvin, joten yksikön nimi kirjoitetaan erotukseksi pienellä alkukirjaimella kelvin. Yksikön tunnus sen sijaan kirjoitetaan isolla kirjaimella K. Celsius-yksikön nimi kirjoitetaan kuitenkin isolla alkukirjaimella, Celsius-yksikkö ja Celsius-asteikko kuten myös yksikön tunnus °C. Astetta merkitsevä ympyrä kuuluu vuoden 1968 suosituksen jälkeen lisätä vain Celsius-yksikköön.
Kelvinin symboli on tavallinen iso K-kirjain, myös Unicode-merkistössä. Unicodessa on tosin olemassa niin sanottu yhteensopivuusmerkki U+212A (KELVIN SIGN), mutta se on tarkoitettu ainoastaan teknisiin erityistarkoituksiin merkistönmuunnoksissa.
Kelvinistä käytetään myös SI-järjestelmän mukaisia kerrannaisyksiköitä. Matalien lämpötilojen fysiikassa puhutaan yleisesti milli-, mikro-, nano- ja pikokelvineistä ja plasmafysiikassa megakelvineistä. Esimerkiksi Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorio saavutti vuonna 1999 kiinteiden aineiden kylmyysennätyksen, joka on 100 pikokelviniä eli 100 pK.

Historia

Lämpötila-asteikon esitteli William Thomson, eli lordi Kelvin vuonna 1848. Hän käytti kaasulämpömittaria, jonka täyteaineen (ilman) lämpölaajenemista hän tutki. Kaasun tilavuudet hän kirjasi ylös celsiusasteiden funktiona. Kelvin oletti, että tilavuuden muutokset ja lämpötilaerot seuraavat toisiaan suoraan verrannollisesti, ja laski tämän perusteella kaasun nollatilavuudelle arvon −273 °C, aivan kuten teki myös Gay-Lussac. Tämä oli käänteisluku kaasun lämpölaajenemiskertoimelle celsiusasteen lämmönnousulle. 
Kelvinin määritelmän perustaksi sovittiin vuonna 1954 kymmenennessä yleisessä paino- ja mittakonferenssissa (10th Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) veden jäätymispisteen sijasta tarkempi veden kolmoispiste, joka asetettiin tarkasti lukemalle 273,16 K. Veden noin 0,01 astetta alempi lämpötila kuin kolmoispiste, joten se oli edelleen sangen suurella tarkkuudella 0°C eli 273,15 K.
Kelvinin tunnuksesta °K jätettiin vuonna 1968 pois astemerkki. Siitä lähtien yksikkönä on käytetty vain merkkiä K. Samassa yhteydessä sallittiin myös celsiusasteiden käyttö kelvinin rinnalla kaikissa yhteyksissä.
Veden kolmoispisteen lämpötila riippuu kuitenkin jonkin verran myös sen isotooppikoostumuksesta. Mittaustarkkuuden kasvaessa kelvinin määritelmää tarkennettiin vuonna 2005 niin, että kelvin oli nimenomaan sellaisen puhtaan veden kolmoispiste, jossa vedyn ja hapen eri isotooppeja on seuraavassa suhteessa: Vedyssä tulee esiintyä isotooppia ²H 0,00015576 mol jokaista moolia ¹H kohti. Happea tulee esiintyä isotooppia ¹⁷O 0,0003799 mol jokaista moolia ¹⁶O kohti ja isotooppia ¹⁸O 0,0020052 mol jokaista moolia ¹⁶O kohti.
Vuoden 2007 kansainvälisessä mitta- ja painokonferenssissa pantiin vireille ehdotus kelvinin määrittelemisestä uudestaan Boltzmannin vakion avulla. Tällöin mainittu vakio saisi tarkkaan määritellyn arvon 1,3806505 · 10⁻²³ joulea kelviniä kohti.  Määritelmä vahvistettiin 26. paino- ja mittakonferenssissa vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.