Kelvin
Symbol: KWorldwide (scientific use)
Was ist ein/eine Kelvin (K)?
Formale Definition
Der Kelvin (Symbol: K) ist die SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur. Seit dem 20. Mai 2019 wird er definiert, indem der Zahlenwert der Boltzmann-Konstante k auf genau 1,380649 × 10⁻²³ Joule pro Kelvin (J/K) festgelegt wird. Diese Definition bindet den Kelvin an die grundlegende Beziehung zwischen Temperatur und der durchschnittlichen kinetischen Energie von Teilchen: kT repräsentiert die thermische Energie pro Freiheitsgrad pro Teilchen.
Der Kelvin ist eine absolute Temperaturskala — sein Nullpunkt (0 K) entspricht dem absoluten Nullpunkt, der niedrigsten möglichen Temperatur, bei der die klassische thermische Bewegung zum Stillstand kommt. Es gibt keine negativen Temperaturen auf der Kelvin-Skala in der klassischen Thermodynamik. Ein Kelvin entspricht in der Größe einem Grad Celsius: Eine Temperaturänderung von 1 K ist dasselbe wie eine Änderung von 1 °C. Die Kelvin-Skala ist um genau 273,15 von der Celsius-Skala verschoben: K = °C + 273,15.
Hinweis zur Terminologie
Der Kelvin wird ohne das Gradzeichen geschrieben — es ist "Kelvin" und nicht "Grad Kelvin" und "K" und nicht "°K." Diese Konvention wurde von der 13. General Conference on Weights and Measures im Jahr 1967 angenommen, um zu betonen, dass der Kelvin eine absolute Einheit ist, keine relative Skala wie Celsius oder Fahrenheit. Die Einheit ist nach William Thomson, 1. Baron Kelvin (1824-1907), dem irisch-schottischen Physiker, der das Konzept einer absoluten Temperaturskala erstmals vorschlug, benannt.
Etymology
William Thomson, Lord Kelvin
Der Kelvin ist nach William Thomson, 1. Baron Kelvin (1824-1907), einem der bedeutendsten Physiker des 19. Jahrhunderts, benannt. Geboren in Belfast, Irland, wurde Thomson mit 22 Jahren Professor für Naturphilosophie an der Universität Glasgow, eine Position, die er 53 Jahre lang innehatte. Er wurde 1892 als Baron Kelvin von Largs in den Adelsstand erhoben und nahm seinen Titel von dem Fluss Kelvin, der an der Universität Glasgow vorbeifließt.
Thomson schlug 1848 das Konzept einer absoluten Temperaturskala vor und argumentierte aus den Prinzipien der Carnotschen Theorie der Wärmemaschinen, dass es einen natürlichen Nullpunkt der Temperatur geben müsse, bei dem die Effizienz einer Wärmemaschine ihr theoretisches Maximum erreichen würde. Er veröffentlichte seinen Vorschlag in dem Artikel "On an Absolute Thermometric Scale" in den Schriften der Cambridge Philosophical Society.
Von "Grad Kelvin" zu "Kelvin"
Ursprünglich wurde die Einheit "Grad Kelvin" (Symbol: °K) genannt. 1967 strich die 13. CGPM das Wort "Grad" und das Symbol wurde einfach "K." Diese Änderung wurde vorgenommen, um den Kelvin von den Celsius- und Fahrenheit-Skalen zu unterscheiden, die die Temperatur relativ zu willkürlichen Referenzpunkten messen. Der Kelvin, als absolute Einheit, wurde als würdig erachtet, ein eigenes ungeschmücktes Symbol zu erhalten, parallel zu anderen SI-Basiseinheiten wie dem Meter, Kilogramm und Sekunde.
Precise Definition
Die Definition der Boltzmann-Konstante
Seit dem 20. Mai 2019 wird der Kelvin definiert, indem die Boltzmann-Konstante auf genau k = 1,380649 × 10⁻²³ J/K = 1,380649 × 10⁻²³ kg·m²·s⁻²·K⁻¹ festgelegt wird. Dies bedeutet, dass ein Kelvin einer Änderung der thermischen Energie kT von genau 1,380649 × 10⁻²³ Joule pro Teilchen pro Freiheitsgrad entspricht.
Vorherige Definition
Vor 2019 wurde der Kelvin definiert, indem der Triple-Punkt von Wasser auf genau 273,16 K (0,01 °C) festgelegt wurde. Nach dieser Definition entsprach 1 Kelvin genau 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Triple-Punkts von Wasser. Diese Definition war problematisch, da der Triple-Punkt von Wasser von der isotopischen Zusammensetzung des Wassers abhängt — Standardmessungen verwendeten Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) mit einer festgelegten isotopischen Zusammensetzung.
Praktische Realisierung
Der Kelvin wird experimentell durch primäre Thermometrie-Methoden realisiert: akustische Gasthermometrie (Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas), Johnson-Rausch-Thermometrie (Messung des elektrischen Rauschens, das durch thermische Fluktuationen in einem Widerstand erzeugt wird) und dielektrische Gasthermometrie. Für die praktische Kalibrierung definiert die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) feste Punkte von 0,65 K bis 1357,77 K (den Gefrierpunkt von Kupfer), mit festgelegten Interpolationsinstrumenten und -methoden zwischen diesen Punkten.
Geschichte
Das Konzept des absoluten Nullpunkts
Die Idee, dass die Temperatur eine natürliche Untergrenze hat, entstand allmählich im 18. und 19. Jahrhundert. 1702 beobachtete Guillaume Amontons, dass der Luftdruck in einem Gasthermometer mit konstantem Volumen linear mit der Temperatur abnahm und extrapolierte, dass der Druck bei etwa -240 °C null erreichen würde (seine Schätzung war ungenau, aber das Konzept war schlüssig). In den 1780er Jahren verfeinerte Johann Heinrich Lambert diese Schätzung. Bis in die 1840er Jahre hatten mehrere Wissenschaftler den absoluten Nullpunkt auf etwa -273 °C geschätzt.
Williams Thomsons Vorschlag
1848 stellte William Thomson (später Lord Kelvin) das Konzept der absoluten Temperatur auf eine rigorose theoretische Grundlage. Basierend auf Sadi Carnots Theorie der Wärmemaschinen zeigte Thomson, dass die Effizienz einer perfekten Wärmemaschine nur vom Verhältnis der Temperaturen ihrer heißen und kalten Reservoirs abhängt. Diese Beziehung erforderte eine Temperaturskala mit einem echten Nullpunkt — eine Skala, auf der Temperaturverhältnisse physikalisch sinnvoll sind.
Thomsons ursprüngliche absolute Skala basierte auf dem Celsius-Grad, mit absolutem Nullpunkt bei -273 °C (später verfeinert auf -273,15 °C). Er definierte 0 auf seiner Skala als absoluten Nullpunkt und verwendete die gleiche Gradgröße wie Celsius, wodurch eine Skala entstand, auf der Wasser bei etwa 273 K gefriert und bei etwa 373 K siedet.
Internationale Annahme
1954 definierte die 10. CGPM den Kelvin formal, indem sie den Triple-Punkt von Wasser auf genau 273,16 K und den absoluten Nullpunkt auf 0 K festlegte. Dies machte den Kelvin unabhängig von der Celsius-Skala (stattdessen wurde Celsius durch den Kelvin definiert). 1967 benannte die 13. CGPM die Einheit von "Grad Kelvin" (°K) einfach in "Kelvin" (K) um.
Die Neudefinition von 2019
Die Neudefinition des SI von 2019 ersetzte die wasserbasierte Definition durch eine, die auf der Boltzmann-Konstante basiert. Diese Änderung befreite den Kelvin von der Abhängigkeit von einer bestimmten Substanz (Wasser mit einer bestimmten isotopischen Zusammensetzung) und verknüpfte ihn stattdessen mit einer fundamentalen Naturkonstanten. Die Neudefinition war Teil der umfassenderen Überarbeitung des SI, die auch das Kilogramm, das Ampere und das Mol neu definierte. Die praktischen Auswirkungen auf die Temperaturmessung waren vernachlässigbar — die Änderung lag innerhalb der Messunsicherheiten — aber der konzeptionelle Wandel war tiefgreifend.
Aktuelle Verwendung
In Physik und Chemie
Der Kelvin ist die Standardtemperatureinheit in der Physik und Chemie weltweit. Thermodynamische Gleichungen — das ideale Gasgesetz (PV = nRT), das Stefan-Boltzmann-Gesetz (P = σT⁴), die Boltzmann-Verteilung und das Plancksche Strahlungsgesetz — erfordern alle die absolute Temperatur in Kelvins. Die Verwendung von Celsius oder Fahrenheit in diesen Gleichungen würde falsche Ergebnisse liefern, da diese Skalen willkürliche Nullpunkte haben.
In Astronomie und Astrophysik
In der Astronomie ist der Kelvin der Standard zur Angabe von stellaren Temperaturen, planetaren Temperaturen und der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5.778 K. Die Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung beträgt 2,725 K. Die Kerne massereicher Sterne erreichen Temperaturen von Milliarden von Kelvins. Diese großen Bereiche wären umständlich in Celsius auszudrücken (was negative Werte erfordern würde, die nur leicht unter Kelvin liegen), sind jedoch in Kelvin natürlich.
In der Farbtemperatur
Der Kelvin wird verwendet, um die Farbtemperatur von Lichtquellen zu beschreiben. Eine warme Glühbirne hat eine Farbtemperatur von etwa 2.700 K. Tageslicht reicht von 5.000 bis 6.500 K. Ein klarer blauer Himmel kann 10.000-15.000 K erreichen. Diese Verwendung tritt in der Fotografie, Filmtechnik, Displaytechnologie und Lichtgestaltung auf. Verbraucher können Kelvin-Werte auf Verpackungen von Glühbirnen und in Displayeinstellungen antreffen.
In der Kryotechnik und Supraleitung
In der Kryotechnik werden Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in Kelvins (oder Millikelvins und Mikrokels) angegeben. Flüssiger Stickstoff siedet bei 77 K. Flüssiges Helium siedet bei 4,2 K. Hochtemperatur-Supraleiter arbeiten unter etwa 93 K (YBCO), während konventionelle Supraleiter Temperaturen unter etwa 10 K benötigen. Verdünnungs-Kühlschränke für Quantencomputing erreichen Millikelvin-Temperaturen.
Everyday Use
Keine Einheit des täglichen Lebens
Der Kelvin wird im Alltag von Nicht-Wissenschaftlern selten verwendet. Gewöhnliche Menschen denken an Temperatur in Celsius (der größte Teil der Welt) oder Fahrenheit (die USA). Der Kelvin tritt im Alltag nur durch die Farbtemperatur auf — zum Beispiel bei der Auswahl von Glühbirnen (2700 K = warmweiß, 4000 K = neutralweiß, 5000 K+ = Tageslicht) oder beim Anpassen des Weißabgleichs in der Fotografie.
Etiketten von Glühbirnen
Die häufigste alltägliche Begegnung mit Kelvins erfolgt auf Verpackungen von Glühbirnen. LED- und CFL-Glühbirnen sind mit ihrer Farbtemperatur in Kelvins gekennzeichnet: 2700 K erzeugt ein warmes, gelbliches Licht, das traditionellen Glühbirnen ähnelt; 3000 K ist etwas kühler; 4000 K ist neutralweiß; 5000-6500 K ähnelt Tageslicht. Verbraucher, die Glühbirnen kaufen, begegnen regelmäßig Kelvin-Werten, auch wenn sie die Physik hinter der Skala nicht vollständig verstehen.
Fotografie und Videografie
Fotografen und Videografen arbeiten routinemäßig mit Kelvin-Werten für Weißabgleichseinstellungen. Der Weißabgleich der Kamera kann manuell in Kelvins eingestellt werden: 3200 K für Glühlampenlicht, 5500 K für Tageslicht, 7000 K oder höher für Schatten oder bewölkte Bedingungen. Professionelle Fotografen lernen, Lichtverhältnisse in Bezug auf Kelvin-Werte zu betrachten.
Wetterberichte über extreme Kälte
In extrem kalten Bedingungen — Berichte aus der Antarktis, Weltraumwetter oder kryogene Forschung — können Temperaturen in Kelvins in Wissenschaftsnachrichten berichtet werden. Die Öffentlichkeit begegnet gelegentlich Kelvin-Werten in Nachrichten über wissenschaftliche Errungenschaften, wie das Abkühlen von Atomen auf nahe dem absoluten Nullpunkt oder das Messen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.
In Science & Industry
Thermodynamik
Der Kelvin ist grundlegend für die Thermodynamik. Die Gesetze der Thermodynamik werden unter Verwendung der absoluten Temperatur formuliert. Das zweite Gesetz, Entropie und das Konzept des thermodynamischen Gleichgewichts erfordern alle Temperaturen, die vom absoluten Nullpunkt gemessen werden. Die Carnot-Effizienz η = 1 - T_cold/T_hot erfordert Kelvins. Die Entropieformel S = k ln W verwendet die Temperatur in Kelvins durch die Boltzmann-Konstante.
Quantenmechanik
In der Quantenmechanik erscheint die Temperatur durch den Boltzmann-Faktor e^(-E/kT), der die Wahrscheinlichkeit beschreibt, dass sich ein System in einem Zustand mit Energie E bei Temperatur T befindet. Die thermische de Broglie-Wellenlänge, die Bose-Einstein-Kondensations-Temperatur und die Fermi-Temperatur werden alle in Kelvins ausgedrückt. Quantencomputing arbeitet bei Millikelvin-Temperaturen (typischerweise 10-20 mK in Verdünnungs-Kühlschränken).
Kosmologie
Die Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung — 2,725 K — ist eine der präzisesten gemessenen Größen in der Kosmologie. Die Temperatur des Universums als Funktion der Zeit nach dem Urknall ist ein grundlegender Parameter in kosmologischen Modellen. Bei etwa 3.000 K kühlte das Urplasma genug ab, damit Atome entstehen konnten (Rekombinations-Epoche), wodurch das Universum für Photonen transparent wurde.
Materialwissenschaft
Die Materialwissenschaft verwendet den Kelvin für Phasenübergangstemperaturen, thermische Eigenschaften und Materialcharakterisierung. Kritische Temperaturen von Supraleitern (Tc), Curie-Temperaturen für magnetische Übergänge und Glasübergangstemperaturen werden in der wissenschaftlichen Literatur in Kelvins angegeben. Der Schmelzpunkt von Wolfram (3.695 K) ist der höchste aller Elemente.
Metrologie
In der Metrologie definiert der Kelvin die Skala, gegen die alle Temperaturmessungen rückverfolgbar sind. Nationale Metrologieinstitute halten primäre Temperaturstandards unter Verwendung akustischer Gasthermometrie, Johnson-Rausch-Thermometrie und anderer primärer Methoden aufrecht. Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) bietet praktische feste Punkte von 0,65 K (dem Dampfdruckpunkt von Helium-3) bis 1.357,77 K (dem Gefrierpunkt von Kupfer).
Interesting Facts
Absolute zero (0 K) is the lowest possible temperature, where all classical thermal motion ceases. Scientists have cooled matter to within billionths of a kelvin of absolute zero, but the third law of thermodynamics states that reaching exactly 0 K is physically impossible.
The cosmic microwave background radiation — the afterglow of the Big Bang — has a temperature of 2.725 K, making it the most precisely measured blackbody radiation in the universe.
The kelvin was originally called the 'degree Kelvin' (°K) until 1967, when the CGPM dropped the 'degree' to emphasize that the kelvin is an absolute unit, not a relative scale. The correct notation is 'K' without a degree symbol.
William Thomson (Lord Kelvin) became a professor at the University of Glasgow at age 22 and held the position for 53 years. He took his peerage title from the River Kelvin that flows past the university, not from the temperature unit.
The surface of the Sun has a temperature of approximately 5,778 K, while its core reaches about 15 million K. The cores of the most massive stars can exceed 3 billion K.
Quantum computers operate at temperatures of about 10-20 millikelvins (0.010-0.020 K), colder than outer space. Dilution refrigerators achieve these extreme temperatures by mixing helium-3 and helium-4 isotopes.
Color temperature in kelvins describes the hue of light: 2700 K is warm (yellowish), 5500 K is daylight (white), and 10000+ K is cool (bluish). This is the most common everyday encounter with kelvin values — on light bulb labels.
The Planck temperature — approximately 1.416 × 10³² K — is the theoretical maximum temperature in physics, corresponding to conditions in the first 10⁻⁴³ seconds after the Big Bang. Beyond this temperature, known physics breaks down.
Liquid nitrogen boils at 77 K (-196 °C), and liquid helium boils at 4.2 K (-269 °C). Helium-3, a rare isotope, boils at 3.2 K. These cryogenic liquids are essential tools in low-temperature physics.
The 2019 redefinition of the kelvin through the Boltzmann constant means that temperature is now defined by the energy of thermal motion — arguably the most physically intuitive definition possible.
Regional Variations
Universal Scientific Use
The kelvin is used uniformly worldwide in all scientific contexts. There are no regional variations in its definition, symbol, or application. Every country's scientific community uses the kelvin as the SI base unit of temperature.
Everyday Temperature Scales
While the kelvin is the official SI temperature unit, everyday temperature communication differs by region. Most of the world uses Celsius for daily life; the United States uses Fahrenheit. The kelvin is universally understood by scientists but rarely used by the general public in any country.
Color Temperature Standards
Color temperature in kelvins is used worldwide in lighting and photography without regional variation. A "2700 K" bulb is the same color temperature everywhere. This is one area where consumers globally encounter kelvin values directly.
Cryogenic Research
Cryogenic research facilities around the world — CERN in Switzerland, Fermilab in the US, KEK in Japan, JINR in Russia — all use kelvins and millikelvins. The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) is the same worldwide, ensuring that a temperature measurement in one laboratory is directly comparable to a measurement in any other.