Kelvin

Kelvin (yksikön tunnus K) on SI-järjestelmän mukainen lämpötilan mittayksikkö ja yksi SI-järjestelmän perusyksiköistä. Kelvinin lämpötila-asteikko on absoluuttinen asteikko, eli sillä on nollakohta absoluuttisessa nollapisteessä. Kelvin-asteikon arvo on suoraan verrannollinen aineen lämpöliikkeen energian odotusarvoon, minkä vuoksi se on tieteessä ja tekniikassa tärkeimmän asteikon asemassa. Kelvin-asteikon asteväli on sama kuin Celsius-asteikolla, eli lämpötilaeroja ilmaistaessa 1 K = 1 °C. Asteikon esitteli William Thomson eli lordi Kelvin vuonna 1848. Vuoteen 1968 asti yksikön nimi oli kelvinaste ja tunnus °K.

Celsius- ja Kelvin-asteikoilla varustettu lämpömittari.

Määritelmä

Nykyisin kelvin on määritelty antamalla Boltzmannin vakiolle kiinteä lukuarvo 1,380 649 · 10^-23, kun yksikkönä on J K^-1, joka on sama kuin kg m² s^-2 K^-1. Määritelmässä esiintyvät muut perusyksiköt kilogramma, metri ja sekunti on määritelty Planckin vakion h, valonnopeuden c, ja cesium-133-atomin ylihienorakenteen kahden energiatason välistä siirtymää vastaavan säteilyn taajuuden Δt_Cs avulla.

Suhde muihin lämpötila-asteikkoihin

Mitatun lämpötilan T ja erään vakiolämpötilan (käytännössä veden jäätymispisteen lämpötilan) T₀ erotusta kutsutaan celsiuslämpötilaksi t,

$t=T-T_{0},$

ja sen yksikkönä käytetään celsiusastetta. Celsiusaste on siten virallinen lämpötilayksikkö, jota käytetään kelvinin rinnalla. Celsius on tämän tulkinnan mukaan kelvinin erityisnimi. Celsius-asteikossa käytetään kuitenkin positiivisia ja negatiivisia arvoja, koska se on luonteeltaan intervalliasteikko, toisin kuin Kelvin-asteikko, joka on suhdeasteikko.

Veden jäätymispiste kelvineinä on 273,15 K, ja vastaavasti absoluuttinen nollapiste celsiusasteina on –273,15 °C. Näin ollen jokainen celsiusasteina ilmaistu lämpötila voidaan muuntaa kelvineiksi lisäämällä lukuarvoon vakio 273,15. Esimerkiksi 0 °C vastaa 273,15 kelviniä ja 20 °C vastaa 293,15 kelviniä. Vastaavasti kelvineissä ilmaistu lämpötila voidaan muuntaa celsiusasteiksi vähentämällä lukuarvosta vakio 273,15. Toisin sanoen pätee:

${\frac {T}{K}}={\frac {t}{^{\circ }C}}+273{,}15$

ja kelvinit celsiusasteiksi

${\frac {t}{^{\circ }C}}={\frac {T}{K}}-273{,}15$

Koska Kelvin-asteikko on asteväliltään sama kuin Celsius-asteikko, sen voidaan sanoa osittain korvanneen Celsius-asteikon tieteellisissä mittauksissa. Kelvin-asteikon lisäksi on ollut käytössä toinenkin absoluuttinen eli termodynaaminen lämpötila-asteikko. Se oli Rankine-asteikko, jonka asteväli oli Fahrenheit-asteikon asteen suuruinen. Rankine-asteikkoa käytettiin vielä 1900-luvulla Yhdysvalloissa, mutta nykyään sitä ei suositella käytettäväksi.

Yksiköiden kirjoittaminen

Kelvin-asteikon nimi juontaa juurensa brittiläisen fyysikon William Thomsonin aatelisnimestä Kelvin. Suomen kielessä mittayksiköiden nimet kirjoitetaan pienellä alkukirjaimella, vaikka ne olisi johdettu erisnimistä (kelvin, celsiusaste). Yksikön tunnus sen sijaan kirjoitetaan isolla kirjaimella K. Astetta merkitsevä ympyrä kuuluu vain celsiusasteeseen, °C, ei kelviniin.

Kelvinin symboli on tavallinen iso K-kirjain, myös Unicode-merkistössä. Unicodessa on tosin olemassa niin sanottu yhteensopivuusmerkki U+212A (KELVIN SIGN), mutta se on tarkoitettu ainoastaan teknisiin erityistarkoituksiin merkistönmuunnoksissa.

Kelvinistä käytetään myös SI-järjestelmän mukaisia kerrannaisyksiköitä. Matalien lämpötilojen fysiikassa puhutaan yleisesti milli-, mikro-, nano- ja pikokelvineistä ja plasmafysiikassa megakelvineistä. Esimerkiksi Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorio saavutti vuonna 1999 kiinteiden aineiden kylmyysennätyksen, joka on 100 pikokelviniä eli 100 pK.

Historia

Kelvin vuonna 1906.

Lämpötila-asteikon esitteli William Thomson, eli lordi Kelvin vuonna 1848. Hän käytti kaasulämpömittaria, jonka täyteaineen (ilman) lämpölaajenemista hän tutki. Kaasun tilavuudet hän kirjasi ylös celsiusasteiden funktiona. Kelvin oletti, että tilavuuden muutokset ja lämpötilaerot seuraavat toisiaan suoraan verrannollisesti, ja laski tämän perusteella kaasun nollatilavuudelle arvon −273 °C, aivan kuten teki myös Gay-Lussac. Tämä oli käänteisluku kaasun lämpölaajenemiskertoimelle yhden celsiusasteen lämmönnousua kohti.

Kelvinin määritelmän perustaksi sovittiin vuonna 1954 kymmenennessä yleisessä paino- ja mittakonferenssissa (10th Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) veden jäätymispisteen sijasta tarkempi veden kolmoispiste, joka asetettiin tarkasti lukemalle 273,16 K. Veden jäätymispiste on noin 0,01 astetta alempi lämpötila kuin kolmoispiste, eli se on sangen suurella tarkkuudella 0 °C eli 273,15 K.

Kelvinin tunnuksesta °K jätettiin vuonna 1968 pois astemerkki. Siitä lähtien yksikkönä on käytetty vain merkkiä K. Samassa yhteydessä sallittiin myös celsiusasteiden käyttö kelvinin rinnalla kaikissa yhteyksissä.

Veden kolmoispisteen lämpötila riippuu kuitenkin jonkin verran myös sen isotooppikoostumuksesta. Mittaustarkkuuden kasvaessa kelvinin määritelmää tarkennettiin vuonna 2005 niin, että kelvin oli nimenomaan sellaisen puhtaan veden kolmoispiste, jossa vedyn ja hapen eri isotooppeja on seuraavassa suhteessa: Vedyssä tulee esiintyä isotooppia ²H 0,00015576 mol jokaista moolia ¹H kohti. Happea tulee esiintyä isotooppia ¹⁷O 0,0003799 mol jokaista moolia ¹⁶O kohti ja isotooppia ¹⁸O 0,0020052 mol jokaista moolia ¹⁶O kohti.

Vuoden 2007 kansainvälisessä mitta- ja painokonferenssissa pantiin vireille ehdotus kelvinin määrittelemisestä uudestaan Boltzmannin vakion avulla. Tällöin mainittu vakio saisi tarkkaan määritellyn arvon 1,3806505 · 10⁻²³ joulea kelviniä kohti. Määritelmä vahvistettiin 26. paino- ja mittakonferenssissa vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.

Lähteet

• Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Arkistoitu 3.6.2016. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)
• Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): Guide for the Use of the International System of Units (SI) (pdf) (nro 811) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 19.2.2013. (englanniksi)