Kelvin
Symbol: KWorldwide (scientific use)
O que é um/uma Kelvin (K)?
Definição Formal
O kelvin (símbolo: K) é a unidade base do SI para temperatura termodinâmica. Desde 20 de maio de 2019, é definido fixando o valor numérico da constante de Boltzmann k em exatamente 1.380649 × 10⁻²³ joules por kelvin (J/K). Essa definição vincula o kelvin à relação fundamental entre temperatura e a energia cinética média das partículas: kT representa a energia térmica por grau de liberdade por partícula.
O kelvin é uma escala de temperatura absoluta — seu ponto zero (0 K) corresponde ao zero absoluto, a temperatura mais baixa possível, na qual o movimento térmico clássico cessa. Não existem temperaturas negativas na escala kelvin na termodinâmica clássica. Um kelvin é igual em magnitude a um grau Celsius: uma mudança de temperatura de 1 K é a mesma que uma mudança de 1 °C. A escala kelvin é deslocada da escala Celsius em exatamente 273,15: K = °C + 273,15.
Nota sobre Terminologia
O kelvin é escrito sem o símbolo de grau — é "kelvin" e não "grau kelvin" e "K" e não "°K." Essa convenção foi adotada pela 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1967 para enfatizar que o kelvin é uma unidade absoluta, não uma escala relativa como Celsius ou Fahrenheit. A unidade é nomeada em homenagem a William Thomson, 1º Barão Kelvin (1824-1907), o físico irlandês-escocês que primeiro propôs o conceito de uma escala de temperatura absoluta.
Etymology
William Thomson, Lord Kelvin
O kelvin é nomeado em homenagem a William Thomson, 1º Barão Kelvin (1824-1907), um dos físicos mais importantes do século XIX. Nascido em Belfast, Irlanda, Thomson tornou-se professor de filosofia natural na Universidade de Glasgow aos 22 anos, cargo que ocupou por 53 anos. Ele foi elevado à nobreza em 1892 como Barão Kelvin de Largs, recebendo seu título do rio Kelvin que passa pela Universidade de Glasgow.
Thomson propôs o conceito de uma escala de temperatura absoluta em 1848, raciocinando a partir dos princípios da teoria do motor térmico de Carnot que deve existir um ponto zero natural de temperatura no qual a eficiência de um motor térmico atingiria seu máximo teórico. Ele publicou sua proposta no artigo "Sobre uma Escala Termométrica Absoluta" no jornal da Sociedade Filosófica de Cambridge.
De "Grau Kelvin" para "Kelvin"
Originalmente, a unidade era chamada de "grau kelvin" (símbolo: °K). Em 1967, a 13ª CGPM eliminou a palavra "grau" e o símbolo tornou-se simplesmente "K." Essa mudança foi feita para distinguir o kelvin das escalas Celsius e Fahrenheit, que medem a temperatura em relação a pontos de referência arbitrários. O kelvin, como uma unidade absoluta, foi considerado digno de seu próprio símbolo despojado, paralelo a outras unidades base do SI como o metro, quilograma e segundo.
Precise Definition
A Definição da Constante de Boltzmann
Desde 20 de maio de 2019, o kelvin é definido fixando a constante de Boltzmann em exatamente k = 1.380649 × 10⁻²³ J/K = 1.380649 × 10⁻²³ kg·m²·s⁻²·K⁻¹. Isso significa que um kelvin corresponde a uma mudança na energia térmica kT de exatamente 1.380649 × 10⁻²³ joules por partícula por grau de liberdade.
Definição Anterior
Antes de 2019, o kelvin era definido fixando o ponto triplo da água em exatamente 273,16 K (0,01 °C). Sob essa definição, 1 kelvin era exatamente 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Essa definição era problemática porque o ponto triplo da água depende da composição isotópica da água — medições padrão utilizavam a Água do Oceano Média de Viena (VSMOW) com uma composição isotópica especificada.
Realização Prática
O kelvin é realizado experimentalmente através de métodos de termometria primária: termometria de gás acústico (medindo a velocidade do som em um gás), termometria de ruído Johnson (medindo o ruído elétrico produzido por flutuações térmicas em um resistor) e termometria de gás de constante dielétrica. Para calibração prática, a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) define pontos fixos de 0,65 K a 1357,77 K (o ponto de fusão do cobre), com instrumentos e métodos de interpolação especificados entre esses pontos.
História
O Conceito de Zero Absoluto
A ideia de que a temperatura tem um limite inferior natural surgiu gradualmente nos séculos XVIII e XIX. Em 1702, Guillaume Amontons observou que a pressão do ar em um termômetro de gás de volume constante diminuía linearmente com a temperatura e extrapolou que a pressão chegaria a zero em aproximadamente -240 °C (sua estimativa era imprecisa, mas o conceito era sólido). Na década de 1780, Johann Heinrich Lambert refinou essa estimativa. Na década de 1840, vários cientistas estimaram o zero absoluto em aproximadamente -273 °C.
Proposta de William Thomson
Em 1848, William Thomson (mais tarde Lord Kelvin) colocou o conceito de temperatura absoluta em uma base teórica rigorosa. Baseando-se na teoria dos motores térmicos de Sadi Carnot, Thomson mostrou que a eficiência de um motor térmico perfeito depende apenas da razão entre as temperaturas de seus reservatórios quente e frio. Essa relação exigia uma escala de temperatura com um verdadeiro ponto zero — uma escala na qual as razões de temperatura são fisicamente significativas.
A escala absoluta original de Thomson era baseada no grau Celsius, com zero absoluto em -273 °C (mais tarde refinado para -273,15 °C). Ele definiu 0 em sua escala como zero absoluto e usou o mesmo tamanho de grau que Celsius, criando uma escala onde a água congela a aproximadamente 273 K e ferve a aproximadamente 373 K.
Adoção Internacional
Em 1954, a 10ª CGPM definiu formalmente o kelvin ao estabelecer o ponto triplo da água em exatamente 273,16 K e o zero absoluto em 0 K. Isso tornou o kelvin independente da escala Celsius (em vez disso, Celsius passou a ser definido através do kelvin). Em 1967, a 13ª CGPM renomeou a unidade de "grau kelvin" (°K) para simplesmente "kelvin" (K).
A Redefinição de 2019
A redefinição do SI de 2019 substituiu a definição baseada na água por uma baseada na constante de Boltzmann. Essa mudança libertou o kelvin da dependência de uma substância específica (água de uma composição isotópica particular) e, em vez disso, vinculou-o a uma constante fundamental da natureza. A redefinição foi parte da reforma mais ampla do SI que também redefiniu o quilograma, ampere e mol. O impacto prático na medição de temperatura foi negligenciável — a mudança estava dentro das incertezas de medição — mas a mudança conceitual foi profunda.
Uso atual
Na Física e Química
O kelvin é a unidade padrão de temperatura na física e química em todo o mundo. As equações termodinâmicas — a lei dos gases ideais (PV = nRT), a lei de Stefan-Boltzmann (P = σT⁴), a distribuição de Boltzmann e a lei de radiação de Planck — todas requerem temperatura absoluta em kelvins. Usar Celsius ou Fahrenheit nessas equações produziria resultados incorretos porque essas escalas têm pontos zero arbitrários.
Na Astronomia e Astrofísica
Na astronomia, o kelvin é o padrão para expressar temperaturas estelares, temperaturas planetárias e radiação de fundo cósmico. A temperatura da superfície do Sol é de aproximadamente 5.778 K. A radiação de fundo cósmico de micro-ondas tem uma temperatura de 2.725 K. Os núcleos de estrelas massivas atingem temperaturas de bilhões de kelvins. Essas vastas faixas seriam difíceis de expressar em Celsius (o que exigiria valores negativos apenas ligeiramente abaixo do kelvin), mas são naturais em kelvin.
Na Temperatura de Cor
O kelvin é usado para descrever a temperatura de cor de fontes de luz. Uma lâmpada incandescente quente tem uma temperatura de cor de aproximadamente 2.700 K. A luz do dia varia de 5.000 a 6.500 K. Um céu azul claro pode atingir 10.000-15.000 K. Esse uso aparece em fotografia, cinematografia, tecnologia de exibição e design de iluminação. Os consumidores podem encontrar valores de kelvin na embalagem de lâmpadas e nas configurações de exibição.
Em Criogenia e Supercondutividade
Na ciência criogênica, temperaturas próximas ao zero absoluto são expressas em kelvins (ou milikelvins e microkelvins). O nitrogênio líquido ferve a 77 K. O hélio líquido ferve a 4,2 K. Supercondutores de alta temperatura operam abaixo de aproximadamente 93 K (YBCO), enquanto supercondutores convencionais requerem temperaturas abaixo de cerca de 10 K. Refrigeradores de diluição para computação quântica atingem temperaturas de milikelvin.
Everyday Use
Não é uma Unidade do Dia a Dia
O kelvin raramente é usado na vida cotidiana por não-cientistas. Pessoas comuns pensam em temperatura em Celsius (a maior parte do mundo) ou Fahrenheit (os EUA). O kelvin aparece em contextos cotidianos apenas através da temperatura de cor — por exemplo, ao escolher lâmpadas (2700 K = branco quente, 4000 K = branco neutro, 5000 K+ = luz do dia) ou ao ajustar o balanço de branco na fotografia.
Rótulos de Lâmpadas
O encontro mais comum do dia a dia com kelvins é na embalagem de lâmpadas. Lâmpadas LED e CFL são rotuladas com sua temperatura de cor em kelvins: 2700 K produz uma luz quente, amarelada, semelhante às lâmpadas incandescentes tradicionais; 3000 K é ligeiramente mais fria; 4000 K é branco neutro; 5000-6500 K se aproxima da luz do dia. Consumidores que compram lâmpadas encontram valores de kelvin regularmente, mesmo que não compreendam totalmente a física por trás da escala.
Fotografia e Videografia
Fotógrafos e videógrafos trabalham rotineiramente com valores de kelvin para configurações de balanço de branco. O balanço de branco da câmera pode ser ajustado manualmente em kelvins: 3200 K para iluminação de tungstênio, 5500 K para luz do dia, 7000 K ou mais para sombra ou condições nubladas. Fotógrafos profissionais aprendem a pensar nas condições de iluminação em termos de valores de kelvin.
Relatórios Meteorológicos de Frio Extremo
Em condições de frio extremo — relatórios da Antártica, clima espacial ou pesquisa criogênica — temperaturas podem ser relatadas em kelvins nas notícias científicas. O público ocasionalmente encontra valores de kelvin em histórias sobre conquistas científicas, como resfriar átomos a temperaturas próximas ao zero absoluto ou medir a radiação de fundo cósmico.
In Science & Industry
Termodinâmica
O kelvin é fundamental para a termodinâmica. As leis da termodinâmica são formuladas usando temperatura absoluta. A segunda lei, entropia e o conceito de equilíbrio termodinâmico exigem temperatura medida a partir do zero absoluto. A eficiência de Carnot η = 1 - T_frio/T_quente requer kelvins. A fórmula da entropia S = k ln W usa temperatura em kelvins através da constante de Boltzmann.
Mecânica Quântica
Na mecânica quântica, a temperatura aparece através do fator de Boltzmann e^(-E/kT), que descreve a probabilidade de um sistema estar em um estado de energia E a uma temperatura T. O comprimento de onda térmico de de Broglie, a temperatura de condensação de Bose-Einstein e a temperatura de Fermi são todos expressos em kelvins. A computação quântica opera em temperaturas de milikelvin (tipicamente 10-20 mK em refrigeradores de diluição).
Cosmologia
A temperatura da radiação de fundo cósmico de micro-ondas — 2.725 K — é uma das quantidades mais precisamente medidas na cosmologia. A temperatura do universo como uma função do tempo após o Big Bang é um parâmetro fundamental em modelos cosmológicos. A aproximadamente 3.000 K, o plasma primordial esfriou o suficiente para que átomos se formassem (época da recombinação), tornando o universo transparente para fótons.
Ciência dos Materiais
A ciência dos materiais usa o kelvin para temperaturas de transição de fase, propriedades térmicas e caracterização de materiais. Temperaturas críticas de supercondutores (Tc), temperaturas de Curie para transições magnéticas e temperaturas de transição vítrea são relatadas em kelvins na literatura científica. O ponto de fusão do tungstênio (3.695 K) é o mais alto de qualquer elemento.
Metrologia
Na metrologia, o kelvin define a escala contra a qual todas as medições de temperatura são rastreáveis. Institutos nacionais de metrologia mantêm padrões de temperatura primários usando termometria de gás acústico, termometria de ruído Johnson e outros métodos primários. A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) fornece pontos fixos práticos de 0,65 K (o ponto de pressão de vapor do hélio-3) a 1.357,77 K (o ponto de fusão do 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.