Kelvin

Le kelvin (du nom de William Thomson, dit Lord Kelvin)[Note 1], de symbole K[Note 1], est l'unité de base SI de température thermodynamique.

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kelvin

Thermomètre Celsius/Kelvin.
Informations
Système Système international (unité de base)
Unité de… Température thermodynamique
Symbole K
Éponyme William Thomson, Lord Kelvin

Jusqu’au , le kelvin était défini comme la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (H2O), une variation de température d'1 K étant équivalente à une variation d'1 °C[1]. La nouvelle définition a pour objectif de respecter cette valeur, mais en l’ancrant sur une valeur fixée de la constante de Boltzmann.

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).

Le kelvin, n'étant pas une mesure relative, n'est jamais précédé du mot « degré » ni du symbole « ° », contrairement aux degrés Celsius ou Fahrenheit.

Échelle kelvin des températures

L'échelle des températures Celsius est, par définition, la température absolue décalée en origine de 273,15 K :

avec :
  • la température en kelvins ;
  • la température en degrés Celsius.

On en déduit que :

  • le zéro absolu est situé à −273,15 °C ;
  • les températures en kelvins ne sont jamais négatives[Note 2] ;
  • les intervalles de l'échelle du degré Celsius sont identiques à ceux du kelvin.

L'inverse de la température est un paramètre qui intervient souvent dans les formules. Les physiciens utilisent parfois le paramètre β tel que :

avec en kelvins et où est la constante de Boltzmann.

Conversion vers les autres unités

En pratique :

  • 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

Ainsi, 0 °C = 273,15 K, 1 °C = 274,15 K, etc.

Construction de l'unité kelvin et conséquences

De 1954 à 2019, l'unité de température du Système international et ses unités dérivées, déterminées par une convention internationale, sont fondées sur la température thermodynamique du point triple de l'eau, TH2O
T
= 273,16 K :

  • kelvin (K) :
    • origine : 0 K = zéro absolu,
    • valeur : TH2O
      T
      /273,16
      (fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau) ;
  • degré Celsius (°C) :
    • valeur : identique au kelvin (c'est-à-dire qu'une différence de températures a la même valeur en degrés Celsius et en kelvins),
    • origine : 0 °C = 273,15 K. Le point triple de l'eau est donc à 0,01 °C exactement. Le point de fusion de la glace à pression atmosphérique est à 0 °C, approximativement.

La fraction 1273,16 est donc due au choix du point triple de l'eau comme point de référence et à la volonté de définir une unité de température qui permette de retrouver les intervalles de températures usuels associés aux anciennes échelles de température. Bien que la définition officielle actuelle du degré Celsius repose 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[1], plus stable que ne l'est la température de congélation, par exemple, qui dépend de nombreux paramètres et qui peut descendre à −38 °C pour de l'eau pure en surfusion[2],[3].

Une fois ce point de référence adopté, il reste à définir l'intervalle d'un kelvin qui est fixé comme suit : Le kelvin est la fraction 1273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.

Celui-ci devient en retour la référence de la définition du degré Celsius. À la suite de cette réforme, ce dernier est réduit au statut d'unité dérivée du Système international : l'unité de température Celsius est égale par définition à l'unité de température kelvin, tout intervalle de température ayant la même valeur numérique dans les deux unités[1].

En revanche, du fait de ce choix d'unité, la température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique normale n'est plus fixée à 100 °C mais à 99,983 9 °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 : environ 0 °C et environ 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[4] 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 (AIEA), connu sous le nom de « Eau océanique moyenne normalisée de Vienne » (VSMOW, de l'anglais Vienna Standard Mean Ocean Water), tel que recommandé par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA)[5].

En 2018, il est décidé de redéfinir les unités du système international.

À partir du , à la suite des travaux du Comité international des poids et mesures, la définition du kelvin change fondamentalement[6]. Au lieu de se fonder sur les changements d'état de l’eau pour définir l’échelle, la nouvelle définition se fonde sur l'énergie équivalente comme donnée par l'équation de Boltzmann.

Nouvelle définition
La valeur du kelvin, K, est définie en fixant la valeur numérique de la constante de Boltzmann à exactement 1,380 649 × 10−23 J K−1 (ou s−2 m2 kg K−1)[7],[8].

Le kelvin est ainsi le changement de température thermodynamique résultant d’un changement de l’énergie thermique de , ou de unités d'action h par seconde[9].

Multiples

Multiples et sous-multiples du kelvin
10N Unité avec
préfixe
Symbole Nombre[Note 3]
1024yottakelvinYKQuadrillion
1021zettakelvinZKTrilliard
1018exakelvinEKTrillion
1015pétakelvinPKBilliard
1012térakelvinTKBillion
109gigakelvinGKMilliard
106mégakelvinMKMillion
103kilokelvinkKMille
102hectokelvinhKCent
101décakelvindaKDix
100kelvinKUn
10−1décikelvindKDixième
10−2centikelvincKCentième
10−3millikelvinmKMillième
10-6microkelvinμKMillionième
10-9nanokelvinnKMilliardième
10-12picokelvinpKBillionième
10-15femtokelvinfKBilliardième
10-18attokelvinaKTrillionième
10-21zeptokelvinzKTrilliardième
10-24yoctokelvinyKQuadrillionième

Autres échelles de température

Différentes échelles sont utilisées pour mesurer la température : l’échelle Newton (établie vers 1700), Rømer (1701), Fahrenheit (1724), Réaumur (1731), Delisle (1738), centigrade (de Celsius) (1742), Rankine (1859), kelvin (1848), Leyden (ca. 1894 ?), Celsius (1948).

Comparaison des échelles de température[alpha 1]
Température kelvin[alpha 2] Celsius centigrade (historique) Fahrenheit originelle Fahrenheit historique Fahrenheit moderne (actuelle) Rankine Delisle Newton Réaumur Rømer
Zéro absolu. 0 −273,15 −273,197 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90
Plus basse température naturelle relevée par télédétection à la surface de la Terre (pas in situ)[alpha 3]. 180,0 −93,2 −135,8 323,9 289,8 −30,8 −74,6 −41,4
Mélange eau/sel de Fahrenheit. 0
Origine de l'échelle Celsius moderne. 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7,5
Température de fusion de l’eau (à la pression standard)[alpha 4]. 273,150 089(10) 0,000 089(10) 0 32 32 32,000 160(18) 491,670 160(18) ≈ 150 ≈ 0 ≈ 0 ≈ 7,5
Température du point triple de l’eau. 273,1600(1) 0,0100(1) 32,0180(18)
Température moyenne à la surface de la Terre. 288 15 59 518,67 127,5 4,95 12 15,375
Température moyenne du corps humain. 309,95 36,8 98,24 557,91 94,8 12,144 29,44 26,82
Plus haute température naturelle enregistrée à la surface de la Terre[alpha 5]. 329,8 56,7 134 593,67 67,5 18,7 45,3 33,94
Température de vaporisation de l’eau (à la pression standard). 373,133 9 99,983 9 100 ≈ 212 212 211,971 671,641 0 33 80 60
Température de fusion du titane. 1 941 1 668 3 034 3 494 −2 352 550 1 334 883
Température estimée de la surface du Soleil. 5 800 5 526 9 980 10 440 −8 140 1 823 4 421 2 909
  1. Certains nombres de ce tableau ont été arrondis. Les valeurs en gras sont celles qui, par définition des différentes échelles, sont exactes (c'est-à-dire qui ont un nombre infini de chiffres significatifs).
  2. On écrit « kelvin » avec un k minuscule car c’est une unité du Système international, même si elle porte le nom de Lord Kelvin. En revanche, le symbole est un K majuscule.
  3. Enregistrée par satellite en Antarctique le [10].
  4. Les échelles de température modernes étant définies par le point triple de l'eau fixé à 0,01 °C, il en résulte que la température de fusion de l'eau mesurée précisément est de 0,000 089(10) °C.
  5. Enregistrée à Furnace Creek aux États-Unis le 10 juillet 1913[11].

Notes et références

Notes

  1. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »). En revanche, le symbole du kelvin s'écrit avec une majuscule, selon la norme SI concernant le symbole des unités dont le nom provient d'un nom propre de personne. La lettre k minuscule est par ailleurs l'initiale du symbole SI des unités multiples en « kilo- » : km, kg, etc. ; en particulier, le symbole du kilokelvin est kK.
  2. Il existe cependant des cas très particuliers où on parle de températures négatives en K, par exemple, pour des systèmes avec une inversion de population. Cette température négative (T < 0 K) ne correspond cependant pas à la notion habituelle de chaud et de froid. Ici, T est la dérivée
  3. L'échelle longue utilisée ici est la référence dans les pays francophones, notamment en France, au Canada, ainsi que généralement en Europe (sauf en Grande-Bretagne). L'[échelle courte est utilisée avant tout par les États-Unis d'Amérique, le Brésil, la Grande-Bretagne et les autres pays de langue anglaise, à l'exception du Canada.

Références

  1. Unité de température thermodynamique (kelvin), Bureau international des poids et mesures.
  2. (en) « Heterogeneous ice nucleation on atmospheric aerosols: a review of results from laboratory experiments », sur atmos-chem-phys.net (consulté le 8 mai 2017).
  3. (en) Thomas Peter, Athanasios Tsias, Beiping Luo et Thomas Koop, « Water activity as the determinant for homogeneous ice nucleation in aqueous solutions », Nature, vol. 406, no 6796, , p. 611–614 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/35020537, lire en ligne, consulté le ).
  4. CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005, Bureau international des poids et mesures [PDF]
  5. (en)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, p. 683–800
  6. Mathieu Grousson, « Mesures : le grand renversement », sur CNRS, (consulté le ).
  7. Christophe Daussy, « Le SI reprend sa température », CNRS Le journal, , p. 58-59 (lire en ligne [PDF]).
  8. « Projet de résolution A – 26e réunion de la CGPM (13-16 novembre 2018) » [PDF], sur Bureau international des poids et mesures, 13-16 novembre 2018 (consulté le )
  9. Brochure sur le SI : Le Système international d'unités, 9ème édition (lire en ligne)
  10. NASA, « La Nasa identifie l'endroit le plus froid de la Terre », Le Figaro, (consulté le ).
  11. Commission de climatologie, « Communiqué de presse no 956 », Organisation météorologique mondiale, (consulté le ).

Voir aussi

Articles connexes

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