Kelvin

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kelvin
Image illustrative de l'article Kelvin
Informations
Système Système international (unité de base)
Unité de... Température thermodynamique
Symbole K
Éponyme William Thomson, Lord Kelvin

Le kelvin (symbole K, du nom de William Thomson, 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 »)[note 1].

Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (H2O), et une variation de température d'1 K est équivalente à une variation d'°C[1]. 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 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. À l'origine, en 1954, le kelvin s'appelait le « degré Kelvin » et s'écrivait alors °K[2]. Le « degré » fut supprimé lors de la 13e CGPM en 1967 et son symbole devint K[3].

Échelle Kelvin des températures[modifier | modifier le code]

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

T_\mathrm{K} = T_\mathrm{C} + 273{{,}}15 \ avec :

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'échelle Fahrenheit est une échelle anglo-saxonne affine de l'échelle Celsius :

T_\mathrm{F} = 32 + 1{{,}}8\times T_\mathrm{C} où :

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

 \beta = \frac{1}{k_B T}\ avec T en kelvins et où k_B\ est la constante de Boltzmann.

Conversion vers les autres unités[modifier | modifier le code]

En pratique :

une température de 0 °C = 273,15 K, une température d'1 °C = 274,15 K ...etc.

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

Construction et conséquence de l'unité Kelvin[modifier | modifier le code]

La fraction 1/273,16 est due au choix du point triple de l'eau comme point de référence, et à la volonté de définir une unité de température permettant de retrouver les intervalles de températures usuels associés aux anciennes échelles de température. Bien que la définition officielle du degré Celsius soit basée 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 la température de congélation, par exemple, qui dépend de nombreux paramètres et peut descendre à -38 °C pour de l'eau pure (surfusion)[4].

Ayant adopté ce point de référence, il reste à définir la variation ou l'intervalle d'un kelvin qui est la suivante : 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. À la suite de cette réforme, celui-ci 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 100 °C mais 99,9839 °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 : approximativement 0 °C et approximativement 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[5] 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 « Vienna Standard Mean Ocean Water » (VSMOW), tel que recommandé par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA)[6].

Multiples[modifier | modifier le code]

Multiples et sous-multiples du kelvin
10N Unité avec
préfixe
Symbole Nombre
1024 yottakelvin
YK
Quadrillion
1021 zettakelvin
ZK
Trilliard
1018 exakelvin
EK
Trillion
1015 pétakelvin
PK
Billiard
1012 térakelvin
TK
Billion
109 gigakelvin
GK
Milliard
106 mégakelvin
MK
Million
103 kilokelvin
kK
Mille
102 hectokelvin
hK
Cent
101 décakelvin
daK
Dix
100 kelvin
K
Un
10−1 décikelvin
dK
Dixième
10−2 centikelvin
cK
Centième
10−3 millikelvin
mK
Millième
10-6 microkelvin
μK
Millionième
10-9 nanokelvin
nK
Milliardième
10-12 picokelvin
pK
Billionième
10-15 femtokelvin
fK
Billiardième
10-18 attokelvin
aK
Trillionième
10-21 zeptokelvin
zK
Trilliardième
10-24 yoctokelvin
yK
Quadrillionième
Anciens multiples et sous-multiples du kelvin[7]
10N Unité avec
préfixe
Symbole Nombre en
français
Nombre en
chiffres
104 myriakelvin
maK
Dix mille 10 000
10-4 myriokelvin
moK
Dix-millième
0,000 1

Autres échelles de température[modifier | modifier le code]

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[a]
Commentaire kelvin[b] Celsius centigrade Fahrenheit 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 enregistrée à la surface de la Terre[c] 180,0 −93,2 -135,8 323,9 289,8 -30,8 -74,6 -41,4
Mélange eau/sel de Fahrenheit 255,37 −17,78 0 459,67 176,67 −5,87 −14,22 −1,83
Température de fusion de l’eau (à la pression standard)[d] ≈ 273,15 ≈ 0 0 32 491,67 150 0 0 7,5
Température du point triple de l’eau 273,16 0,01 32,018
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[e] 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) 373,1339 99,9839 100 211,971 671,641 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 (= qui ont un nombre infini de chffres significatifs).
  2. La désignation de l’échelle « kelvin » est tout en minuscules car c’est une unité du Système international, même si elle porte le nom de Lord Kelvin. Par contre le symbole est un K majuscule.
  3. Enregistrée par satellite en Antarctique le 10 août 2010 [8]
  4. La température étant aujourd'hui définie 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 0,000089(10)°C
  5. Enregistrée à Furnace Creek aux États-Unis le 10 juillet 1913[9].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. 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 (le k minuscule est par ailleurs l'initiale du symbole SI des unités multiples en « kilo- » : km ; en particulier, le symbole du kilokelvin est kK).
  2. Il existe cependant des cas très particuliers où on va parler de températures négatives en K, par exemple, pour des systèmes avec une inversion de population. Il est évident que cette température négative (T < 0 K) ne correspond pas à la notion habituelle de chaud et de froid. Ici, T est la dérivée T = \left ( \frac{\partial U}{\partial S} \right ) \!

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c Unité de température thermodynamique (kelvin), Bureau international des poids et mesures.
  2. Résolution 3 de la 10e réunion de la CGPM (1954), Bureau international des poids et mesures.
  3. Résolution 3 de la 13e réunion de la CGPM (1967/68), Bureau international des poids et mesures.
  4. Voir notamment : http://www.atmos-chem-phys.net/12/9817/2012/acp-12-9817-2012.html et http://www.nature.com/nature/journal/v406/n6796/abs/406611a0.html pour les articles scientifiques de référence.
  5. CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005 [PDF]
  6. 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
  7. The Edinburgh Encyclopedia
  8. La Nasa identifie l'endroit le plus froid de la Terre
  9. Commission de climatologie, « Communiqué de presse no 956 », Organisation météorologique mondiale,‎ 13 septembre 2012

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]