Das Kelvin (K) ist die Temperatureinheit des Internationalen Einheitensystems (SI) und eine seiner sieben Grundeinheiten.
Aufgrund seiner absoluten Natur und Übereinstimmung mit thermodynamischen Prinzipien wird es in Wissenschaft und Technik häufig verwendet.
Ursprung und Definition
Der Name dieser Einheit ehrt den britischen Physiker und Mathematiker William Thomson Kelvin, bekannt als Lord Kelvin, der wichtige Beiträge zur Thermodynamik leistete und eine absolute Temperaturskala vorschlug.
Kelvin wird aus zwei grundlegenden Punkten definiert:
- Absoluter Nullpunkt (0 K): Entspricht der tiefstmöglichen Temperatur, bei der jegliche thermische Bewegung auf molekularer Ebene aufhört. Dieser Zustand stellt die theoretische Abwesenheit thermischer Energie dar.
- Tripelpunkt des Wassers: Ein Kelvin entspricht genau 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts des Wassers. Dies ist der Zustand, in dem Wasser gleichzeitig als Feststoff, Flüssigkeit und Gas im Gleichgewicht existieren kann.
Die Äquivalenz zwischen der Kelvin- und der Celsius-Skala ist direkt, da eine Differenz von 1 K identisch mit einer Differenz von 1 °C ist. Ihre Referenzwerte sind jedoch unterschiedlich, da 0 °C 273,15 K entspricht.
Merkmale der Kelvin-Skala
Die Kelvin-Skala ist eine absolute Skala , das heißt, sie beginnt beim absoluten Nullpunkt und weist keine negativen Werte auf. Anders als die Celsius- oder Fahrenheit- Skalen verwendet Kelvin nicht das Gradsymbol (°). Dies liegt daran, dass die Messung nicht in relativen „Graden“, sondern in absoluten Werten der Wärmeenergie erfolgt.
Zum Beispiel:
- 0 K (absoluter Nullpunkt) stellt die theoretische Abwesenheit thermischer Bewegung dar.
- 273,15 K ist der Gefrierpunkt von Wasser.
- 373,15 K ist der Siedepunkt von Wasser (bei Normaldruck).
Wesentliche Unterschiede zu anderen Skalen
- Celsius: Es basiert auf relativen Referenzpunkten (Gefrieren und Sieden von Wasser). Die Kelvin-Skala verschiebt sich um 273,15 Einheiten nach unten, aber die Unterschiede sind gleichwertig (1 K = 1 °C).
- Fahrenheit: Verwendet unterschiedliche Referenzpunkte und eine nichtlineare Beziehung zu Kelvin. Für die Umrechnung von Kelvin in Fahrenheit sind Zwischenschritte erforderlich.
Verwendung von Kelvin
Aufgrund seiner Absolutheit und Präzision ist Kelvin in zahlreichen wissenschaftlichen und technischen Disziplinen unverzichtbar. Zu seinen Anwendungen gehören:
1. Thermodynamik und Grundlagenphysik
Kelvin ist wichtig, um thermische und energetische Phänomene zu beschreiben, wie zum Beispiel:
- Verhalten idealer Gase.
- Durchschnittliche kinetische Energie von Teilchen.
- Wärmeübertragung.
2. Farbtemperatur
In der Beleuchtung und Fotografie wird Kelvin zur Messung der Farbtemperatur von Lichtquellen verwendet, basierend auf dem Schwarzkörperprinzip.
Die Farbtemperatur ist ein Maß, das die chromatischen Eigenschaften einer Lichtquelle beschreibt und in Kelvin (K) ausgedrückt wird. Es basiert auf der Idee, wie ein idealer schwarzer Körper (ein Objekt, das alle einfallende elektromagnetische Strahlung absorbiert und abhängig von seiner Temperatur Energie wieder abgibt) sichtbares Licht bei unterschiedlichen Temperaturen aussendet.
Wenn sich der schwarze Körper erwärmt, ändert das von ihm emittierte Licht seine Farbe und durchläuft verschiedene Schattierungen im gesamten sichtbaren Spektrum.
Zum Beispiel:
- Warme Quellen (rötliches Licht): ~2000–4000 K.
- Kalte Quellen (bläuliches Licht): >7500 K.
3. Elektronik und thermisches Rauschen
In der Elektrotechnik wird Kelvin zur Analyse des thermischen Rauschens in Schaltkreisen verwendet, das als Johnson-Nyquist-Rauschen bekannt ist. Dieses Rauschen hängt mit der Temperatur zusammen und ermöglicht die Bewertung der Effizienz und Einschränkungen elektronischer Systeme.
4. Astronomie und Kosmologie
In der Astrophysik misst Kelvin extreme Temperaturen, etwa auf der Oberfläche von Sternen oder im Hintergrund der kosmischen Strahlung (~2,7 K).
Kuriositäten und historische Betrachtungen
- Früher: Der Begriff „Grad Kelvin“ (°K) wurde verwendet, aber seit 1968 wurde die Verwendung des Gradsymbols abgeschafft.
- Falsche Analogie: Kelvin wird aufgrund der Nähe ihrer Größenordnungen manchmal mit dem Grad Celsius verwechselt, obwohl sie konzeptionell unterschiedlich sind.