Kelvin

Einheit
Norm	SI-Einheit
Name	Kelvin
Größe	Temperatur
Einheitenzeichen	K
Formelzeichen	T
Benannt nach	Lord Kelvin

Das Kelvin ist die SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur und ihrere Skala, der Kelvin-Skala.

Es wurde benannt nach William Thomson, dem späteren Lord Kelvin, der mit 24 Jahren die thermodynamische Temperaturskala einführte.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt am absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C. Diese Temperatur wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet, da eine tiefere Temperatur nicht möglich ist (Dritter Hauptsatz der Thermodynamik).

Ein Temperaturunterschied von einem Kelvin ist der 273,16te Teil des Temperaturunterschieds zwischen dem absoluten Nullpunkt und der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wassers (0,01 °C). Durch diese Festlegung wurde erreicht, dass die Temperaturdifferenzen von einem Kelvin und einem Grad Celsius genau gleich sind: $\frac{\Delta\,T}{K}=\frac{\Delta\,\vartheta}{\,^{\circ}\mathrm{C}}$ .

Kelvin wird vor allem in der Thermodynamik, Wärmeübertragung und allgemein den Naturwissenschaften zur Angabe der Temperatur, sowie zur Angabe von Temperaturdifferenzen verwendet. Bei der Kelvin-Skala ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen (Atome oder Moleküle) proportional zur Temperatur, das heißt eine doppelte kinetische Energie entspricht einer doppelten Temperatur (in Kelvin). Ein weitere Zusammenhang leitet sich aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ab: eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2^1/2 = 1,414.

Das Kelvin ist die (neben dem Grad Celsius) in Deutschland und Österreich gesetzlich vorgeschriebene Temperatureinheit. Sie wurde durch die CGPM zum ersten Mal 1954 und in der heute gültigen Form erneut 1968 definiert und als SI-Basiseinheit festgelegt:

„Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.“ (amtliche Übersetzung aus dem Englischen; gemeint ist reines Wasser)

Diese Definition macht keinen Unterschied zwischen der Anwendung des Kelvin für die Angabe einer absoluten Temperatur und eines Temperaturunterschieds. Daher ist sie für Laien schwer verständlich. Die modernste Definition der Kelvin-Skala und der zugehörigen Fixwerte ist durch die „International Temperature Scale of 1990“ (ITS-90, siehe Weblinks) gegeben.

Anmerkungen

In wissenschaftlichen Diskursen sollten Temperaturdifferenzen in K (wegen des internationalen SI-Systems) angeben werden.
Die Kelvin-Skala ist per Definition seit 1968 nicht mehr in Grad unterteilt. Es heißt deshalb nicht mehr „19 Grad Kelvin“ (oder „19 °K“) sondern einfach nur „19 Kelvin“ (19 K).

Eigenschaften

Aus der Definition folgt unmittelbar die exakte Festlegung der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser (nicht umgekehrt). Der Gefrierpunkt des Wassers bei Normalbedingungen ist auf der Kelvin-Skala nicht exakt 273,16 K, sondern beträgt 273,16 K - 0,010000 K = 273,15 K (momentane Messgenauigkeit).

Die Temperatur wird durch diese Definition mit der Energie verknüpft und heißt daher thermodynamische Temperatur. Die thermodynamische Temperatur eines Körpers (oder Systems) steht im Zusammenhang mit seinem Energiegehalt. Enthält er keine Energie, dann hat er die Temperatur 0 K und befindet sich somit am absoluten Nullpunkt. Wenn der Zahlenwert einer Temperatur T₁ auf der Kelvin-Skala x-mal größer ist als der einer anderen Temperatur T₂, so ist der Energiegehalt bei T₁ x-mal so hoch wie der bei T₂ (im Gegensatz dazu siehe die Celsius-Skala).

Die Art der Definition wurde so gewählt, dass sie leicht in die Praxis umgesetzt werden kann. Weil der Tripelpunkt einer Substanz eine (überall und immer) gleichbleibende Stoffeigenschaft ist - das heißt wenn sich Wasser an seinem Tripelpunkt befindet, hat es stets dieselbe Temperatur (und denselben Druck) - werden heute unter anderem Tripelpunktzellen zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten eingesetzt.

Geschichte

Die Teilungen der von William Thomson vorgeschlagenen absoluten Temperaturskala trugen zunächst die Bezeichnung °A (für absolute). Im SI galt von 1948 bis 1968 das °K (Grad Kelvin, bis 1954 auch Grad Absolut) als Temperatureinheit. Außerdem wurden im genannten Zeitraum Temperaturdifferenzen - abweichend von Temperaturangaben - in deg (Grad) angegeben. Die Verwendung dieser alten Einheiten ist heute in Deutschland nicht mehr zulässig.

Bereits 1948 wurde durch die CGPM eine absolute thermodynamische Skala mit dem Tripelpunkt des Wassers als einzigem fundamentalen Fixpunkt festgelegt, aber noch nicht mit der Temperatur verknüpft.

Das Kelvin wurde nach William Thomson, dem späteren Lord Kelvin benannt, der mit 24 Jahren die thermodynamische Temperaturskala einführte.

Farbtemperatur

In Kelvin wird außerdem die Farbtemperatur gemessen, die besonders in der Fotografie wichtig ist.

Tabellen

Übersicht über die Temperaturskalen
Skala	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankine	Delisle	Newton	Réaumur	Rømer
Einheit	Kelvin	Grad Celsius	Grad Fahrenheit	Grad Rankine	Grad Delisle	Grad Newton	Grad Réaumur	Grad Rømer
Einheitenzeichen	K	°C	°F	°Ra, °R	°De, °D	°N	°Ré, °Re	°Rø
erster Fixpunkt F₁	T₀ = 0 K	T_Schm(H₂O) = 0 °C	Winter in Danzig¹ = 0 °F	T₀ = 0 °Ra	T_Sied(H₂O) = 0 °De	T_Schm(H₂O) = 0 °N	T_Schm(H₂O) = 0 °Ré	T_Schm(H₂O) = 7,5 °Rø
zweiter Fixpunkt F₂	T_t(H₂O) = 273,16 K	T_Sied(H₂O) = 100 °C	T_Mensch¹ = 100 °F	-	T_Schm(H₂O) = 150 °De	T_Sied(H₂O) = 33 °N	T_Sied(H₂O) = 80 °Ré	T_Sied(H₂O) = 60 °Rø
Skalenintervall	(F₂ - F₁) / 273,16	(F₂ - F₁) / 100	(F₂ - F₁) / 96	siehe Fahrenheit	(F₂ - F₁) / 150	(F₂ - F₁) / 33	(F₂ - F₁) / 80	(F₂ - F₁) / 100
Erfinder	William Thomson („Lord Kelvin“)	Anders Celsius	Daniel Fahrenheit	William Rankine	Joseph Delisle	Isaac Newton	René Réaumur	Ole Rømer
Entstehungsjahr	1848	1742	1724	1859	1732	~1700	1730	1701
Verbreitungsgebiet	weltweit (SI-Einheit)	weltweit	USA, Jamaika	USA	-	-	Westeuropa bis 19. Jhd.	-

¹ Genutzt wurde die gemessene Tiefsttemperatur des Winters 1708/1709 in Danzig (-17,8 °C) und die Körpertemperatur, die Fahrenheit an sich selbst maß (37,8 °C).

Umrechnung zwischen Temperaturskalen
nach↓ \ von→	Kelvin-Skala [K]	Celsius-Skala [°C]	Réaumur-Skala [°Ré]	Fahrenheit-Skala [°F]
T_Kelvin	= T_Kelvin	= T_Celsius + 273,15	= T_Réaumur · 1,25 + 273,15	= (T_Fahrenheit + 459,67) ÷ 1,8
T_Celsius	= T_Kelvin − 273,15	= T_Celsius	= T_Réaumur · 1,25	= (T_Fahrenheit − 32) ÷ 1,8
T_Réaumur	= (T_Kelvin − 273,15) · 0,8	= T_Celsius · 0,8	= T_Réaumur	= (T_Fahrenheit − 32) ÷ 2,25
T_Fahrenheit	= T_Kelvin · 1,8 − 459,67	= T_Celsius · 1,8 + 32	= T_Réaumur · 2,25 + 32	= T_Fahrenheit
T_Rankine	= T_Kelvin · 1,8	= T_Celsius · 1,8 + 491,67	= T_Réaumur · 2,25 + 491,67	= T_Fahrenheit + 459,67
T_Rømer	= (T_Kelvin − 273,15) · 21/40 + 7,5	= T_Celsius · 21/40 + 7,5	= T_Réaumur · 21/32 + 7,5	= T_Fahrenheit − 32) · 7/24 + 7,5
T_Delisle	= (373,15 − T_Kelvin) · 1,5	= (100 − T_Celsius) · 1,5	= (80 − T_Réaumur) · 1,875	= (212 − T_Fahrenheit) · 5/6
T_Newton	= (T_Kelvin − 273,15) · 0,33	= T_Celsius · 0,33	= T_Réaumur · 0,4125	= (T_Fahrenheit − 32) · 11/60

nach↓ \ von→	Rankine-Skala [°Ra]	Rømer-Skala [°Rø]	Delisle-Skala [°De]	Newton-Skala [°N]
T_Kelvin	= T_Rankine ÷ 1,8	= (T_Rømer − 7,5) · 40/21 + 273,15	= 373,15 − T_Delisle · 2/3	= T_Newton · 100/33 + 273,15
T_Celsius	= T_Rankine ÷ 1,8 − 273,15	= (T_Rømer − 7,5) · 40/21	= 100 − T_Delisle · 2/3	= T_Newton · 100/33
T_Réaumur	= T_Rankine ÷ 2,25 + 218,52	= (T_Rømer − 7,5) · 32/21	= 80 − T_Delisle · 8/15	= T_Newton · 80/33
T_Fahrenheit	= T_Rankine − 459,67	= (T_Rømer − 7,5) · 24/7 + 32	= 212 − T_Delisle · 1,2	= T_Newton · 60/11 + 32
T_Rankine	= T_Rankine	= (T_Rømer − 7,5) · 24/7 + 491,67	= 671,67 − T_Delisle · 1,2	= T_Newton · 60/11 + 491,67
T_Rømer	= (T_Rankine − 491,67) · 7/24 + 7,5	= T_Rømer	= 60 − T_Delisle · 0,35	= T_Newton · 35/22 + 7,5
T_Delisle	= (671,67 − T_Rankine) · 5/6	= (60 − T_Rømer) · 20/7	= T_Delisle	= (33 − T_Newton) ÷ 0,22
T_Newton	= (T_Rankine − 491,67) · 11/60	= (T_Rømer − 7,5) · 22/35	= 33 − T_Delisle · 0,22	= T_Newton

Einige gerundete Temperaturwerte in den verschiedenen Skalen
Messwert \ Skala	Fahrenheit	Réaumur	Celsius	Kelvin
Schmelzpunkt von Eisen	2 795 °F	1 228 °R	1 535 °C	1 808 K
Siedepunkt von Wasser	212 °F	80 °R	100 °C	373 K
Körpertemperatur des Menschen nach Fahrenheit	100 °F	30 °R	38 °C	311 K
Gefrierpunkt von Wasser	32 °F	0 °R	0 °C	273 K
tiefste Temperatur in Danzig, Winter 1708/09	0 °F	−14 °R	−18 °C	255 K
Schmelzpunkt von Quecksilber	−38 °F	−31 °R	−39 °C	234 K
Gefrierpunkt von Alkohol	−174 °F	−92 °R	−115 °C	159 K
absoluter Nullpunkt	−460 °F	−219 °R	−273 °C	0 K
höchste gemessene Lufttemperatur	136 °F	46 °R	58 °C	331 K
tiefste gemessene Lufttemperatur	−129 °F	−71 °R	−89 °C	184 K