Kelvin - Définition

Introduction

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 »).

Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (HO), et une variation de température de 1 K est équivalente à une variation de 1 °C. 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. Le « degré » fut supprimé lors de la 13^e CGPM en 1967 et son symbole devient K.

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.

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, 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.

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 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.