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 1 K = 1 °C. Asteikon esitteli William Thomson eli lordi Kelvin vuonna 1848.
Kelvin on nykyisen määritelmänsä mukaan 1/273,16-osa termodynaamisesta lämpötilasta puhtaan veden kolmoispisteessä.
Vuoden 2005 lisäyksen mukaan puhdas vesi on tislattua vettä, jossa veden alkuaineet vety ja happi täyttävät isotooppien suhteen seuraavan seossuhteen: Vedyssä tulee esiintyä isotooppia H 0,00015576 mol jokaista moolia H kohti. Happea tulee esiintyä isotooppia O 0,0003799 mol jokaista moolia O kohti ja isotooppia O 0,0020052 mol jokaista moolia O kohti.
Määritelmästä seuraa se, että veden kolmoispisteen lämpötila on kelvineinä tasan 273,16 K, joka on noin 0,01 °C.
Mitatun lämpötilan "T" ja veden jäätymispisteen lämpötilan "T" erotusta kutsutaan celsiuslämpötilaksi "t",
ja sen yksikkönä käytetään celsiusastetta. Celsiusaste on siten virallinen lämpötilayksikkö, jota käytetään kelvinin rinnalla. Celsius on tämän tulkinnan mukaan kelvinin erityisnimi. Celsius-asteikossa käytetään kuitenkin positiivisia ja negatiivisia arvoja, koska se on suhteellinen lämpötila-asteikko, toisin kuin absoluuttinen Kelvin-asteikko.
Koska kolmoispisteen lämpötila "T" on 273,16 K ja "t" 0,01 °C, veden jäätymispiste "T" on 273,15 K, eli "t" = 0 °C. Koska asteikkoväli Kelvin- ja Celsius-asteikoissa on sama, voidaan muunnokset näiden välillä tehdä lisäämällä tai vähentämällä luku 273,15. Celsiusasteet muutetaan kelvineiksi
ja kelvinit celsiusasteiksi
Koska kelvin-asteikko on sama astevälinsä suhteen kuin Celsius-asteikko, voidaan sanoa kelvinin korvanneen osittain sen tieteellisissä mittauksissa. Sen sijaan on ollut olemassa toinenkin absoluuttinen eli termodynaaminen lämpötila-asteikko. Se oli Rankine-asteikko, jonka asteväli oli Fahrenheit-asteikon asteen suuruinen. Tätä käytettiin vielä 1900-luvulla Yhdysvalloissa, mutta sitä ei enää suositella käytettäväksi.
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.
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 määritelmäksi määrättiin vuonna 1954 kymmenennessä yleisessä paino- ja mittakonferenssissa (10th Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) veden jäätymispisteen sijasta tarkempi veden kolmoispiste, joka asetetaan tarkasti lukemalle 273,16 K. Veden jäätymispiste 0 °C on tästä lähtien 0,01 astetta alempi lämpötila kuin kolmoispiste.
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.
CIPM ehdotti 2005 mittatarkkuuden kasvaessa, että kelvin määriteltäisiin sellaisesta vedestä, jonka isotooppisuhteet ovat jakaantuneet nykyään voimassa olevalla tavalla.
Vuoden 2007 kansainvälisessä mitta- ja painokonferenssissa on käsitelty ehdotusta kelvinin määrittelemiseksi uudestaan Boltzmannin vakion avulla. Tällöin mainittu vakio saisi tarkkaan määritellyn arvon 1,3806505 · 10 joulea kelviniä kohti.
Kelviniä on käytetty eräissä johdannaisyksiköissä: