Kelvin
Symbol: KWorldwide (scientific use)
¿Qué es un/una Kelvin (K)?
Definición Formal
El kelvin (símbolo: K) es la unidad base del SI de temperatura termodinámica. Desde el 20 de mayo de 2019, se define fijando el valor numérico de la constante de Boltzmann k en exactamente 1.380649 × 10⁻²³ julios por kelvin (J/K). Esta definición vincula el kelvin a la relación fundamental entre temperatura y la energía cinética promedio de las partículas: kT representa la energía térmica por grado de libertad por partícula.
El kelvin es una escala de temperatura absoluta: su punto cero (0 K) corresponde al cero absoluto, la temperatura más baja posible, en la que cesa el movimiento térmico clásico. No hay temperaturas negativas en la escala kelvin en la termodinámica clásica. Un kelvin es igual en magnitud a un grado Celsius: un cambio de temperatura de 1 K es lo mismo que un cambio de 1 °C. La escala kelvin está desplazada de la escala Celsius en exactamente 273.15: K = °C + 273.15.
Nota sobre Terminología
El kelvin se escribe sin el símbolo de grado: es "kelvin" y no "grado kelvin" y "K" y no "°K." Esta convención fue adoptada por la 13ª Conferencia General sobre Pesas y Medidas en 1967 para enfatizar que el kelvin es una unidad absoluta, no una escala relativa como Celsius o Fahrenheit. La unidad lleva el nombre de William Thomson, 1er Barón Kelvin (1824-1907), el físico irlandés-escocés que propuso por primera vez el concepto de una escala de temperatura absoluta.
Etymology
William Thomson, Lord Kelvin
El kelvin lleva el nombre de William Thomson, 1er Barón Kelvin (1824-1907), uno de los físicos más importantes del siglo XIX. Nacido en Belfast, Irlanda, Thomson se convirtió en profesor de filosofía natural en la Universidad de Glasgow a la edad de 22 años, un cargo que ocupó durante 53 años. Fue elevado a la nobleza en 1892 como Barón Kelvin de Largs, tomando su título del río Kelvin que fluye junto a la Universidad de Glasgow.
Thomson propuso el concepto de una escala de temperatura absoluta en 1848, razonando a partir de los principios de la teoría del motor de calor de Carnot que debe existir un punto cero natural de temperatura en el que la eficiencia de un motor de calor alcanzaría su máximo teórico. Publicó su propuesta en el artículo "Sobre una Escala Termométrica Absoluta" en la revista de la Sociedad Filosófica de Cambridge.
De "Grado Kelvin" a "Kelvin"
Originalmente, la unidad se llamaba "grado kelvin" (símbolo: °K). En 1967, la 13ª CGPM eliminó la palabra "grado" y el símbolo se convirtió simplemente en "K." Este cambio se realizó para distinguir el kelvin de las escalas Celsius y Fahrenheit, que miden la temperatura en relación con puntos de referencia arbitrarios. El kelvin, como unidad absoluta, se consideró que merecía su propio símbolo sin adornos, paralelo a otras unidades base del SI como el metro, kilogramo y segundo.
Precise Definition
La Definición de la Constante de Boltzmann
Desde el 20 de mayo de 2019, el kelvin se define fijando la constante de Boltzmann en exactamente k = 1.380649 × 10⁻²³ J/K = 1.380649 × 10⁻²³ kg·m²·s⁻²·K⁻¹. Esto significa que un kelvin corresponde a un cambio en la energía térmica kT de exactamente 1.380649 × 10⁻²³ julios por partícula por grado de libertad.
Definición Anterior
Antes de 2019, el kelvin se definía fijando el punto triple del agua en exactamente 273.16 K (0.01 °C). Bajo esta definición, 1 kelvin era exactamente 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Esta definición era problemática porque el punto triple del agua depende de la composición isotópica del agua: las mediciones estándar utilizaban agua del océano medio estándar de Viena (VSMOW) con una composición isotópica especificada.
Realización Práctica
El kelvin se realiza experimentalmente a través de métodos de termometría primaria: termometría de gas acústico (medición de la velocidad del sonido en un gas), termometría de ruido de Johnson (medición del ruido eléctrico producido por fluctuaciones térmicas en un resistor) y termometría de gas de constante dieléctrica. Para la calibración práctica, la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) define puntos fijos de 0.65 K a 1357.77 K (el punto de congelación del cobre), con instrumentos y métodos de interpolación especificados entre estos puntos.
Historia
El Concepto de Cero Absoluto
La idea de que la temperatura tiene un límite inferior natural surgió gradualmente en los siglos XVIII y XIX. En 1702, Guillaume Amontons observó que la presión del aire en un termómetro de gas de volumen constante disminuía linealmente con la temperatura y extrapoló que la presión alcanzaría cero a aproximadamente -240 °C (su estimación era inexacta, pero el concepto era sólido). En la década de 1780, Johann Heinrich Lambert refinó esta estimación. Para la década de 1840, varios científicos habían estimado el cero absoluto en aproximadamente -273 °C.
La Propuesta de William Thomson
En 1848, William Thomson (más tarde Lord Kelvin) colocó el concepto de temperatura absoluta sobre una base teórica rigurosa. Basándose en la teoría de motores de calor de Sadi Carnot, Thomson demostró que la eficiencia de un motor de calor perfecto depende solo de la relación entre las temperaturas de sus reservorios caliente y frío. Esta relación requería una escala de temperatura con un verdadero punto cero: una escala en la que las relaciones de temperatura sean físicamente significativas.
La escala absoluta original de Thomson se basaba en el grado Celsius, con cero absoluto en -273 °C (más tarde refinado a -273.15 °C). Definió 0 en su escala como cero absoluto y utilizó el mismo tamaño de grado que Celsius, creando una escala donde el agua se congela a aproximadamente 273 K y hierve a aproximadamente 373 K.
Adopción Internacional
En 1954, la 10ª CGPM definió formalmente el kelvin al fijar el punto triple del agua en exactamente 273.16 K y el cero absoluto en 0 K. Esto hizo que el kelvin fuera independiente de la escala Celsius (en su lugar, Celsius se definió a través del kelvin). En 1967, la 13ª CGPM renombró la unidad de "grado kelvin" (°K) a simplemente "kelvin" (K).
La Redefinición de 2019
La redefinición del SI de 2019 reemplazó la definición basada en el agua por una basada en la constante de Boltzmann. Este cambio liberó al kelvin de la dependencia de una sustancia específica (agua de una composición isotópica particular) y en su lugar lo vinculó a una constante fundamental de la naturaleza. La redefinición fue parte de la revisión más amplia del SI que también redefinió el kilogramo, el amperio y el mol. El impacto práctico en la medición de la temperatura fue insignificante: el cambio estaba dentro de las incertidumbres de medición, pero el cambio conceptual fue profundo.
Uso actual
En Física y Química
El kelvin es la unidad de temperatura estándar en física y química en todo el mundo. Las ecuaciones termodinámicas — la ley de los gases ideales (PV = nRT), la ley de Stefan-Boltzmann (P = σT⁴), la distribución de Boltzmann y la ley de radiación de Planck — requieren temperatura absoluta en kelvins. Usar Celsius o Fahrenheit en estas ecuaciones produciría resultados incorrectos porque estas escalas tienen puntos cero arbitrarios.
En Astronomía y Astrofísica
En astronomía, el kelvin es el estándar para expresar temperaturas estelares, temperaturas planetarias y radiación de fondo cósmico. La temperatura de la superficie del Sol es aproximadamente 5,778 K. La radiación de fondo cósmico de microondas tiene una temperatura de 2.725 K. Los núcleos de estrellas masivas alcanzan temperaturas de miles de millones de kelvins. Estos amplios rangos serían incómodos de expresar en Celsius (lo que requeriría valores negativos solo ligeramente por debajo de kelvin) pero son naturales en kelvin.
En Temperatura de Color
El kelvin se utiliza para describir la temperatura de color de las fuentes de luz. Una bombilla incandescente cálida tiene una temperatura de color de aproximadamente 2,700 K. La luz del día varía de 5,000 a 6,500 K. Un cielo azul claro puede alcanzar 10,000-15,000 K. Este uso aparece en fotografía, cinematografía, tecnología de pantallas y diseño de iluminación. Los consumidores pueden encontrar valores de kelvin en el empaquetado de bombillas y configuraciones de pantallas.
En Criogenia y Superconductividad
En la ciencia criogénica, las temperaturas cercanas al cero absoluto se expresan en kelvins (o milikelvins y microkelvins). El nitrógeno líquido hierve a 77 K. El helio líquido hierve a 4.2 K. Los superconductores de alta temperatura operan por debajo de aproximadamente 93 K (YBCO), mientras que los superconductores convencionales requieren temperaturas por debajo de aproximadamente 10 K. Los refrigeradores de dilución para computación cuántica alcanzan temperaturas de milikelvin.
Everyday Use
No es una Unidad de la Vida Diaria
El kelvin rara vez se utiliza en la vida cotidiana por personas no científicas. Las personas comunes piensan en la temperatura en Celsius (la mayor parte del mundo) o Fahrenheit (EE. UU.). El kelvin aparece en contextos cotidianos solo a través de la temperatura de color, por ejemplo, al elegir bombillas (2700 K = blanco cálido, 4000 K = blanco neutro, 5000 K+ = luz del día) o ajustar el balance de blancos en fotografía.
Etiquetas de Bombillas
El encuentro cotidiano más común con los kelvins es en el empaquetado de bombillas. Las bombillas LED y CFL están etiquetadas con su temperatura de color en kelvins: 2700 K produce una luz cálida y amarillenta similar a las bombillas incandescentes tradicionales; 3000 K es ligeramente más fría; 4000 K es blanco neutro; 5000-6500 K se aproxima a la luz del día. Los consumidores que compran bombillas encuentran regularmente valores de kelvin, incluso si no comprenden completamente la física detrás de la escala.
Fotografía y Videografía
Los fotógrafos y videógrafos trabajan rutinariamente con valores de kelvin para configuraciones de balance de blancos. El balance de blancos de la cámara se puede ajustar manualmente en kelvins: 3200 K para iluminación de tungsteno, 5500 K para luz del día, 7000 K o más para sombra o condiciones nubladas. Los fotógrafos profesionales aprenden a pensar en las condiciones de iluminación en términos de valores de kelvin.
Informes Meteorológicos de Frío Extremo
En condiciones de frío extremo — informes desde la Antártida, clima espacial o investigación criogénica — las temperaturas pueden ser reportadas en kelvins en noticias científicas. El público ocasionalmente encuentra valores de kelvin en noticias sobre logros científicos, como enfriar átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto o medir el fondo cósmico de microondas.
In Science & Industry
Termodinámica
El kelvin es fundamental para la termodinámica. Las leyes de la termodinámica se formulan utilizando temperatura absoluta. La segunda ley, la entropía y el concepto de equilibrio termodinámico requieren temperatura medida desde el cero absoluto. La eficiencia de Carnot η = 1 - T_frío/T_caliente requiere kelvins. La fórmula de entropía S = k ln W utiliza temperatura en kelvins a través de la constante de Boltzmann.
Mecánica Cuántica
En mecánica cuántica, la temperatura aparece a través del factor de Boltzmann e^(-E/kT), que describe la probabilidad de que un sistema esté en un estado de energía E a temperatura T. La longitud de onda térmica de de Broglie, la temperatura de condensación de Bose-Einstein y la temperatura de Fermi se expresan todas en kelvins. La computación cuántica opera a temperaturas de milikelvin (típicamente 10-20 mK en refrigeradores de dilución).
Cosmología
La temperatura de la radiación de fondo cósmico de microondas — 2.725 K — es una de las cantidades más precisamente medidas en cosmología. La temperatura del universo como función del tiempo después del Big Bang es un parámetro fundamental en los modelos cosmológicos. A aproximadamente 3,000 K, el plasma primordial se enfrió lo suficiente como para que se formaran átomos (época de recombinación), haciendo que el universo fuera transparente a los fotones.
Ciencia de Materiales
La ciencia de materiales utiliza el kelvin para temperaturas de transición de fase, propiedades térmicas y caracterización de materiales. Las temperaturas críticas de superconductores (Tc), temperaturas de Curie para transiciones magnéticas y temperaturas de transición vítrea se reportan en kelvins en la literatura científica. El punto de fusión del tungsteno (3,695 K) es el más alto de cualquier elemento.
Metrología
En metrología, el kelvin define la escala contra la cual todas las mediciones de temperatura son trazables. Los institutos nacionales de metrología mantienen estándares de temperatura primaria utilizando termometría de gas acústico, termometría de ruido de Johnson y otros métodos primarios. La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) proporciona puntos fijos prácticos desde 0.65 K (el punto de presión de vapor de helio-3) hasta 1,357.77 K (el punto de congelación del cobre).
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.