0 Grad Celsius sind schon frostige Temperaturen, aber bei 0 Grad Kelvin ist es nochmal ein ganzes Stück kälter. Kelvin ist eine physikalische Einheit, welche 0 für den absoluten Tiefpunkt bei Temperaturen definiert. Woher diese Messeinheit kommt und wofür sie verwendet wird, können Sie im Folgenden lesen.
Die Geschichte
Der Name Kelvin geht zurück zu dem Physiker William Thomson, dem späteren Lord Kelvin, welcher erstmals den absoluten Temperaturnullpunkt definierte. Er interessierte sich für das Konzept der unendlichen Kälte, welche, wie sich herausstellte, doch nicht unendlich war. Daraufhin wollte er eine andere Maßeinheit anstatt Celsius Temperaturen, um diesen Punkt als null definieren zu können. Der absolute Nullpunkt basiert auf dem Prinzip, dass die kinetische Energie der Teilchen, die Bewegung, für die Temperatur verantwortlich ist. Das bedeutet also absolut keine Bewegung. Als Lord Kelvin dies erforschte, war jedoch noch nicht weltweit anerkannt, dass Stoffe aus Teilchen bestehen. Der tatsächliche Nullpunkt ist dennoch nicht tatsächlich erreichbar, aber es ist inzwischen technisch möglich mit Kühlungsmethoden (z.B. “Laser Cooling”) nur einige Nanokelvin zu erreichen, also nur Milliardstel vom absoluten Nullpunkt entfernt. Dieser Nullpunkt ist in der Kelvin-Skala als 0 definiert.
0 K, -273,15°C? Was genau sind jetzt Kelvin?
Die Skala umschreibt den absoluten Tiefpunkt der Temperatur. Das ist der Zustand von Materie, an dem absolut keine thermische Bewegung mehr stattfindet. Kelvin definiert diesen Zustand mit null. Die Temperatureinheit hat die gleichen Messabstände wie die Celsius Skala, der absolute Nullpunkt ist bei -273,15 Grad Celsius. Die Einheit wird für die thermodynamische Temperatur verwendet und ist innerhalb des SI-Systems festgelegt. Das SI-System bezeichnet das internationale System der Einheiten (“Système international d’unités”).
Die Kelvinskala und die Celsius Skala waren in der Vergangenheit über den Tripelpunkt von Wasser definiert. Ein Tripelpunkt nennt sich auch Dreiphasenpunkt und beschreibt die Kombination von Druck und Temperatur, an der sich ein Stoff in einem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand gleichzeitig befindet. Der Tripelpunkt des Wassers ist bei 273,16 Kelvin, oder 0,01 Grad Celsius.
Allerdings wird die Einheit Kelvin seit Mai 2019 über die Boltzmann-Konstante definiert, anstatt im Zusammenhang mit Celsius, sodass die Einheit über die Energie bestimmt werden kann. Dies ist wichtig, da sie sonst von den materiellen Gefrier- und Siedepunkten des Wassers abhängig ist, was oft von äußeren Umständen beeinflusst werden kann. Unterschiedlicher Druck sorgt für eine Temperaturdifferenz bei Gefrier- und Siedepunkt. Für exakte Berechnungen besonders in der Physik ist also eine unabhängige Definition für die Messung von Temperatur notwendig.
1. Die Definition für das Kelvin bis Mai 2019:
“Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.”
2. Die Definition für das Kelvin ab dem 20. Mai 2019:
“Das Kelvin, Einheitenzeichen K, ist die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur. Es ist definiert, indem für die Boltzmann-Konstante k der Zahlenwert 1,380 649 × 10–23 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit J K–1, die gleich kg m2 s–2 K–1 ist, wobei das Kilogramm, der Meter und die Sekunde mittels h, c und ΔνCs definiert sind.”
Celsius steht weiterhin in Zusammenhang mit Kelvin: t (in °C) = T(in K) – 273,15 → T(in K) = t (in °C) + 273,15
Das heißt also, 0 Grad Celsius sind 273,15 K. Kelvin (K) hat außerdem die gleiche Maßeinheit wie Celsius, das heißt +1°C ist gleich +1K.
Celsius und andere Einheiten
Hier sehen Sie einen Vergleich von Temperatur in Grad Celsius, Kelvin, und Fahrenheit.Andere Möglichkeiten zur Temperaturmessung sind das uns bekannte Celsius oder die Einheit Fahrenheit. Fahrenheit wird im nordamerikanischen Raum genutzt und geht zurück auf den Physiker und Namensgeber Daniel Gabriel Fahrenheit. Dieser wollte ebenso negative Temperaturen vermeiden, jedoch basierte sein Nullpunkt auf der kältesten Temperatur, die er erzeugen konnte, diese lag bei 17,8 Grad Celsius. Celsius beschreibt den Gefrierpunkt von Wasser bei 0 Grad Celsius und den Siedepunkt bei 100 Grad. Der Bereich dazwischen wird in 100 gleich große Teile geteilt. Diese Skala kommt von dem schwedischen Physiker Anders Celsius.Des Weiteren gibt es noch die Rankine Skala (°R, °Ra), die von dem Schotten William Rankine vorgestellt wurden. Diese Skala hat ebenso wie Kelvin den absoluten Temperaturtiefpunkt als 0, jedoch hat ein Grad Rankine dieselbe Größe wie ein Grad Fahrenheit.Zudem gibt es noch Réamur (°Ré, °Re) von Réne de Réamur, diese Skala hat die Referenzpunkte 0 (Gefrierpunkt von Wasser) und 80 (Siedepunkt von Wasser). Weder Rankine noch Réamur sind heute noch viel in Gebrauch. Dagegen sind Celsius, Kelvin und Fahrenheit die primären Temperaturskalen. Andere alte Temperatur-Maßeinheiten, die Wissenschaftler entworfen haben, sind Grad Delisle, Grad Leiden, Grad Newton, Grad Rømer und die Wedgwood-Skala.
Nutzung der Einheit
In der Physik kommt bei Temperaturangaben meistens nur Kelvin in Frage. Die Einheit wird hier zum Rechnen verwendet.Viele Formeln in der Physik sind auf Kelvin aufgebaut und gehen daher besser auf, wenn diese auch wie vorhergesehen mit Kelvin verwendet werden. In der Technik wird Kelvin auch eingesetzt, hier ist die Einheit relevant, da sie den Abstand zum absoluten Nullpunkt angibt. Auch sonst sollten in der Physik und Technik Temperaturdifferenzen normgemäß stets in Kelvin angegeben werden. Zum Einsatz kommt dieses Beispiel bei Wärmedämmung, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient angegeben wird.
Wussten Sie, dass Kelvin auch für die Fotografie verwendet wird? Hier wird die Farbtemperatur mit Kelvin gemessen, gemeint ist also die Wärme des Lichts.
