Kelvin

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Informations
kelvin

Système	Système international (unité de base)
Unité de...	Température thermodynamique
Symbole	K
Éponyme	William Thomson, Lord 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 d'1 K est équivalente à une variation d'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).

Le kelvin n'étant pas une mesure relative, 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 13^e CGPM en 1967 et son symbole devint K^[3].

Échelle Kelvin des températures

L'échelle des températures Celsius est, par définition, la température absolue décalée en origine de 273,15 K :

T_\mathrm{K} = T_\mathrm{C} + 273{{,}}15 \

avec :

$T_\mathrm{K}$ la température en kelvins.
$T_\mathrm{C}$ la température en degrés Celsius.

On en déduit que :

Le zéro absolu est situé à −273,15 °C.
Les températures en kelvins ne sont jamais négatives^{[note 2]}.
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_\mathrm{F} = 32 + 1{{,}}8\times T_\mathrm{C}

où :

$T_\mathrm{F}$ est la température en degrés Fahrenheit et
$T_\mathrm{C}$ la température en degrés Celsius.

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}\

avec

T

en kelvins et où

k_B\

est la constante de Boltzmann.

Conversion vers les autres unités

En pratique :

une température de 0 °C = 273,15 K, une température d'1 °C = 274,15 K ...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 dépend de nombreux paramètres et peut descendre à -38 °C pour de l'eau pure (surfusion)^[4].

Ayant adopté ce point de référence, il reste à définir la variation où 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. À la suite de cette réforme, celui-ci est réduit au statut d'unité dérivée du système international : l'unité de température Celsius est égale par définition à l'unité de température kelvin, 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 normale n'est plus 100 °C mais 99,9839 °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 : approximativement 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^[5] 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 (AIEA) connu sous le nom de « Vienna Standard Mean Ocean Water » (VSMOW), tel que recommandé par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA)^[6].

Multiples

Multiples actuels : Préfixes du système international d'unités.

Multiples et sous-multiples du kelvin
10^N	Unité avec 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^[7]
10^N	Unité avec préfixe	Symbole	Nombre en français	Nombre en chiffres
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 (1848), Leyden (ca. 1894?), Celsius (1948)

Comparaison des échelles de température^{[alpha 1]}
Commentaire	kelvin^{[alpha 2]}	Celsius	centigrade	Fahrenheit originelle	Fahrenheit historique	Fahrenheit moderne (actuelle)	Rankine	Delisle	Newton	Réaumur	Rømer
Zéro absolu	0	−273,15	−273,197			−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
Plus basse température naturelle notée par télédétection à la surface de la Terre (pas in situ)^{[alpha 3]}	180,0	−93,2				-135,8	323,9	289,8	-30,8	-74,6	-41,4
Mélange eau/sel de Fahrenheit				0
Origine de l'échelle Celsius moderne	273,15	0				32	491,67	150	0	0	7,5
Température de fusion de l’eau (à la pression standard)^{[alpha 4]}	273,150 089(10)	0,000 089(10)	0	32	32	32,000 160(18)	491,670 160(18)	≈ 150	≈ 0	≈ 0	≈ 7,5
Température du point triple de l’eau	273,16	0,01				32,018
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 naturelle enregistrée à la surface de la Terre^{[alpha 5]}	329,8	56,7				134	593,67	67,5	18,7	45,3	33,94
Température de vaporisation de l’eau (à la pression standard)	373,1339	99,9839	100	≈ 212	212	211,971	671,641	0	33	80	60
Température de fusion du titane	1 941	1 668				3 034	3 494	−2 352	550	1 334	883
Température estimée de la surface du Soleil	5 800	5 526				9 980	10 440	−8 140	1 823	4 421	2 909
↑ Certains nombres de ce tableau ont été arrondis. Les valeurs en gras sont celles qui, par définition des différentes échelles, sont exactes (= qui ont un nombre infini de chiffres significatifs). ↑ 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. Par contre le symbole est un K majuscule. ↑ Enregistrée par satellite en Antarctique le 10 août 2010 ^[8] ↑ La température étant aujourd'hui définie par le point triple de l'eau fixé à 0,01°C, il en résulte que la température de fusion de l'eau mesurée précisément est de 0,000 089(10) °C. ↑ Enregistrée à Furnace Creek aux États-Unis le 10 juillet 1913^[9].

Notes et références

Notes

↑ 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).
↑ Il existe cependant des cas très particuliers où on va parler de températures négatives en K, par exemple, pour des systèmes avec une inversion de population. Il est évident que cette température négative (T < 0 K) ne correspond pas à la notion habituelle de chaud et de froid. Ici, T est la dérivée $T = \left ( \frac{\partial U}{\partial S} \right ) \!$

Références

1 2 3 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.
↑ Voir notamment : http://www.atmos-chem-phys.net/12/9817/2012/acp-12-9817-2012.html et http://www.nature.com/nature/journal/v406/n6796/abs/406611a0.html pour les articles scientifiques de référence.
↑ CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005 [PDF]
↑ 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
↑ The Edinburgh Encyclopedia
↑ NASA, « La Nasa identifie l'endroit le plus froid de la Terre », Le Figaro,‎ 11 décembre 2013 (consulté le 25 avril 2015)
↑ Commission de climatologie, « Communiqué de presse n^o 956 », Organisation météorologique mondiale,‎ 13 septembre 2012

Voir aussi

Articles connexes

Zéro absolu
Température

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