Kelvin - Définition

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 (H₂O), 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 à +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 (10^e CGPM, résolution 3, CR 79), le kelvin s'appelait le " degré Kelvin ", et s'écrivait alors °K. Le " degré " fut supprimé lors de la 13^e CGPM, en 1967 (résolution 3, CR 104) et son symbole devint K.

Conversion vers les autres unités

• kelvins en degrés Celsius : °C = K - 273,15
• degrés Celsius en kelvins : K = °C + 273,15
• kelvins en degrés Fahrenheit : °F = K × 1,8 − 459,67
• degrés Fahrenheit en kelvins : K = (°F + 459,67) / 1,8 gtp

Construction de l'unité Kelvin

Le chiffre de 1/273,15 n'est dû ni au hasard ni à une réalité physique (on aurait pu choisir une définition telle que 1/100^e, 1/500^e ou 1/1000^e de la température thermodynamique du point triple de l'eau), mais à la volonté de se caler sur une unité préexistante. Quoique la définition officielle du degré Celsius soit basée sur celle du kelvin, ce dernier a été établi postérieurement.

Le degré Celsius est basé historiquement sur la température de congélation de l'eau, qui définit le zéro, et la température d'ébullition, fixée à 100 °C, donnant ainsi la valeur de la variation d'un degré.

La notion de température thermodynamique (c'est-à-dire implicitement de température absolue) introduit la notion de zéro absolu, qui doit naturellement être la base de cette échelle de température. Or celui-ci a une valeur de -273,15 °C.

D'autre part le point triple, c'est-à-dire la température à laquelle l'eau peut être simultanément sous les trois états (liquide, solide et gazeux) est certainement apparue comme une référence plus invariable que la température de congélation, quoique presque identique par coïncidence. Cette dernière varie avec la pression et à la pression atmosphérique, elle est plus basse d'environ 0,01 °C (ou K) par rapport au point triple sous une atmosphère de pression.

Ayant adopté ces deux points de référence, il reste à définir la variation ou l'intervalle d'un kelvin. Celui-ci a été choisi de même valeur que celui du degré Celsius, soit 1/100^e de la différence de température entre la température d'ébullition et de congélation de l'eau sous une atmosphère de pression. La valeur du degré absolu étant de -273,15 °C, on y ajoute la différence entre point de congélation et point triple soit 0,01 °C. L'intervalle entre le zéro absolu et le point triple de l'eau en kelvin doit donc se diviser en 273,16 K.

On arrive donc à la définition condensée : 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, ce qui permet d'éviter qu'il y ait deux définitions concurrentes. En effet, si on affinait la précision du degré Celsius à partir de sa définition historique, cela impliquerait de modifier soit la relation entre degré Celsius et kelvin, soit la définition même du kelvin (qui pourrait devenir la fraction 1/273,160001 de la température thermodynamique...).

En 2005, la définition a été raffinée (CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005) 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.

Multiples du kelvin