Le kelvin (K) est l'unité de température du Système international d'unités (SI) et l'une de ses sept unités fondamentales.
Il est largement utilisé en science et technologie en raison de sa nature absolue et de sa cohérence avec les principes thermodynamiques.
Origine et définition
Le nom de cette unité rend hommage au physicien et mathématicien britannique William Thomson Kelvin, connu sous le nom de Lord Kelvin, qui a apporté d'importantes contributions à la thermodynamique et a proposé une échelle de température absolue.
Kelvin est défini à partir de deux points fondamentaux :
- Zéro absolu (0 K) : Correspond à la température la plus basse possible, où cesse tout mouvement thermique au niveau moléculaire. Cet état représente l'absence théorique d'énergie thermique.
- Point triple de l'eau : Un kelvin équivaut exactement à 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. C’est l’état dans lequel l’eau peut coexister simultanément sous forme solide, liquide et gazeuse en équilibre.
L'équivalence entre les échelles Kelvin et Celsius est directe, puisqu'une différence de 1 K est identique à une différence de 1 °C. Cependant, leurs valeurs de référence sont différentes, puisque 0 °C équivaut à 273,15 K.
Caractéristiques de l'échelle Kelvin
L'échelle Kelvin est une échelle absolue , ce qui signifie qu'elle commence au zéro absolu, sans valeurs négatives. Contrairement aux échelles Celsius ou Fahrenheit , le kelvin n'utilise pas le symbole du degré (°). En effet, il ne mesure pas l’énergie thermique en « degrés » relatifs, mais en termes absolus.
Par exemple:
- 0 K (zéro absolu) représente l'absence théorique de mouvement thermique.
- 273,15 K est le point de congélation de l'eau.
- 373,15 K est le point d'ébullition de l'eau (à pression standard).
Principales différences avec les autres échelles
- Celsius : Il est basé sur des points de référence relatifs (congélation et ébullition de l’eau). L'échelle Kelvin descend de 273,15 unités, mais les différences sont équivalentes (1 K = 1 °C).
- Fahrenheit : utilise différents points de référence et une relation non linéaire avec Kelvin. Pour convertir de Kelvin en Fahrenheit, des étapes intermédiaires sont nécessaires.
Utilisations de Kelvin
Kelvin est essentiel dans de multiples disciplines scientifiques et techniques en raison de son caractère absolu et précis. Ses applications incluent :
1. Thermodynamique et physique fondamentale
Kelvin est essentiel pour décrire les phénomènes thermiques et énergétiques, tels que :
- Comportement des gaz parfaits.
- Énergie cinétique moyenne des particules.
- Transfert de chaleur.
2. Température de couleur
En éclairage et en photographie, Kelvin est utilisé pour mesurer la température de couleur des sources lumineuses, sur la base du principe du corps noir.
La température de couleur est une mesure qui décrit les caractéristiques chromatiques d'une source lumineuse, exprimées en kelvin (K). Il est basé sur l'idée selon laquelle un corps noir idéal (un objet qui absorbe tout rayonnement électromagnétique incident et réémet de l'énergie en fonction de sa température) émet de la lumière visible à différentes températures.
À mesure que le corps noir se réchauffe, la lumière qu’il émet change de couleur, passant par différentes nuances à travers le spectre visible.
Par exemple:
- Sources chaudes (lumière rougeâtre) : ~2 000–4 000 K.
- Sources froides (lumière bleutée) : >7500 K.
3. Electronique et bruit thermique
En génie électronique, Kelvin est utilisé pour analyser le bruit thermique dans les circuits, connu sous le nom de bruit Johnson-Nyquist. Ce bruit est lié à la température et permet d'évaluer l'efficacité et les limites des systèmes électroniques.
4. Astronomie et cosmologie
En astrophysique, le kelvin mesure les températures extrêmes, comme la surface des étoiles ou le fond de rayonnement cosmique (~2,7 K).
Curiosités et considérations historiques
- Anciennement : le terme « degré Kelvin » (°K) était utilisé, mais depuis 1968, l'utilisation du symbole du degré a été supprimée.
- Mauvaise analogie : Kelvin est parfois confondu avec le degré Celsius en raison de la proximité de leurs grandeurs, bien que conceptuellement ils soient différents.