Kelvin

Die SI-Basiseinheit der absoluten Temperatur (thermodynamischen Temperatur) ist das Kelvin (Einheitssymbol K). Diese Einheit wird auch als gesetzliche Temperatureinheit in fast allen Ländern verwendet. Die Hauptanwendung dieser Einheit findet vor allem in den Naturwissenschaften sowie der Technik statt, wobei Temperaturen und Temperaturdifferenzen damit dargestellt werden.

Bei einer Temperaturdifferenz ist es nicht notwendig, zwischen Grad Celsius und Kelvin umzurechnen, da die Kelvin-Skala gegenüber der Grad-Celsius-Skala um -273,15 K verschoben ist. Der absolute Nullpunkt liegt bei 0 K, was einer Temperatur von -273,15 °C entspricht. 0°C entsprechen somit 273,15 K.

Das heutige Kelvin hatte bis 1967 den Einheitssymbol „Grad Kelvin“. Der Name der Einheit wurde nach dem späteren Lord Kelvin benannt, der mit 24 Jahren die thermodynamische Temperaturskala vorschlug.

Definition Kelvin

Das Kelvin wurde mit Hilfe der Bolzmann-Konstante k_B definiert. Daraus ergibt sich das ein Kelvin genau einer thermischen Enerige k_BT von 1,380 649 * 10 ^-23 Joule entspricht.

Diese Definition hat den Vorteil, dass das Kelvin unabhängig von Materialien und Normalen definiert ist. Dadurch ist die absolute Temperatur nur noch von Joule abhängig, welches über den Meter, Kilogramm und Sekunde definiert ist und somit wieder von drei Konstanten abhängig ist. Ursprünglich war das Kelvin über den Tripelpunkt von Wasser definiert.

In der Kelvinskala gibt es keine negativen Zahlen, da 0 Kelvin beim absoluten Nullpunkt liegt. Laut Nertschen Wäremegestzt ist es nicht möglich den Absuluten Nullpunkt zu messen oder zu erreichen.

Zusammenhang mit dem Grad Celsius

Mit der Definition der Celsius-Skala ist die gemessene Temperatur gegenüber der Temperatur in Kelvin um exakt 273,15 verschoben.

Diese Definition sorgt dafür, dass die Differenz zwischen zwei Temperaturwerten in Kelvin und Grad Celsius zahlenmäßig gleich groß ist, und man somit nicht umrechnen muss.

Geschichte

Bis 2018

1884 hat William Thomson (dem 1. Baron Kelvin) vorgeschlagen eine absolute Temperaturskala mit dem Wert 0 als absoluten Nullpunkt einzuführen. Ursprünglich hatte diese Temperaturskala die Bezeichnung °A (für absolut). Die Definition war so gesetzt, dass Temperaturdifferenzen den gleichen Zahlenwert hatten wie auf der Celsius-Skala. Man hat die Celsius Skala ursprünglich über den gefriert und Siedepunkt von Wasser definiert. Das hat dazu geführt das die absolute Skala und die Celsius-Skala um einen festen Wert verschoben sind.

1948 während der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CPGM) wurde festgelegt, dass der Tripelpunkt von Wasser der Einzige der einzige Fixpunkt sein sollte. Daraufhin wurde auch das „Grad Absolut“ Zeichen durch das „Grad Kelvin“ Zeichen ersetzt.

Die CGPM definierte die Einheit im Jahr 1954 in seiner bis zum 19. Mai 2019 gültigen Form und erklärte es zur Basiseinheit. Aus Grad Kelvin (°K) wurde 1967 umbenannt auf Kelvin (K). Bis 2019 lautete dann die definition:

„Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16-te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.“.

Zugleich wurde festgelegt, dass Temperaturdifferenzen ebenfalls in Kelvin anzugeben sind (und nicht mehr in Grad), wobei bei Celsius-Temperaturen alternativ auch die Bezeichnung „Grad Celsius“ erlaubt ist, die hier synonym zu „Kelvin“ ist. Bis 2019 wurden weitere kleinere Definitionsänderungen hinzugefügt.

Ab 2019: Anbindung thermische Energie

Seit 2019 ist die thermodynamische Temperatur direkt proportional zur thermischen Energie. Dabei wird die Bolzmann-Konstante als Proportionalitätsfaktor verwendet. Als die Energie (Joule) und Temperatur (Kelvin) unabhängig voneinander definiert waren, musste die Boltzmann-Konstante immer experimentell bestimmt werden. Da die Messmethoden dafür immer präziser wurden erreichten sie die Präzision womit sich die beiden Definitionen konkurrierten. Als Lösung wurden der Bolzmann-Konstante ein fester Wert zugewiesen und das Kelvin dadurch direkt an das Joule gekoppelt. Der Wert der Boltzmann-Konstanten, die seitdem ein nur durch Konvention festgelegter Skalierungsfaktor ist, wurde so gewählt, dass das neue Kelvin möglichst genau mit dem alten übereinstimmte. Diese Änderung trat mit der Revision des Internationalen Einheitensystems am 20. Mai 2019 in Kraft.

Umrechnung in andere Temperaturskalen

Temperaturen der meist verwendeten Einheiten lassen sich mit folgenden Formeln umrechnen:

t°C = TK - 273,15

t°F = TK * (9/5) -459,67

TK = t°C + 273,15

tK = t°F + 459,67  * (9/5)

Farbtemperatur

Das Kelvin wird auch zur Beschreibung des Farbeindrucks von „weißem“ Licht verwendet. Die Temperatur bestimmt das Spektrum eines thermischen Strahlers wie einer Glühbirne, einer Gasflamme oder der Sonne. Ebenso ordnet man dem Licht eines nicht-thermischen Strahlers wie einer LED oder einer Leuchtstoffröhre eine „Farbtemperatur“ zu. Wenn beispielsweise eine LED-Lampe eine Farbtemperatur von 3000 K aufweist, bedeutet dies, dass ihr Farbeindruck dem eines thermischen Strahlers mit einer Temperatur von 3000 K entspricht. Dieser Farbton wird als „warmweiß“ bezeichnet, wobei „warm“ in diesem Kontext nicht auf die Temperatur, sondern auf die Kategorisierung von Farben in „warme“ (eher rötliche) und „kalte“ (eher bläuliche) Farben hinweist. Daher stehen höhere Farbtemperaturen für eher kalte Farbeindrücke.

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