El Kelvin (K) és la unitat de temperatura del Sistema Internacional d'Unitats (SI) i una de les set unitats fonamentals.
S'utilitza àmpliament en ciències i tecnologia degut al seu caràcter absolut i coherència amb els principis termodinàmics.
Origen i definició
El nom d'aquesta unitat honra el físic i matemàtic britànic William Thomson Kelvin, conegut com a Lord Kelvin, que va realitzar importants contribucions a la termodinàmica i va proposar una escala absoluta de temperatura.
El kelvin es defineix a partir de dos punts fonamentals:
- Zero absolut (0 K): Correspon a la temperatura més baixa possible, on cessa tot moviment tèrmic a nivell molecular. Aquest estat representa l‟absència teòrica d‟energia tèrmica.
- Punt triple de laigua: Un kelvin equival exactament a 1/273,16 de la temperatura termodinàmica del punt triple de laigua. Aquest és l'estat en què l'aigua pot coexistir simultàniament com a sòlid, líquid i gas en equilibri.
L'equivalència entre les escales Kelvin i Celsius és directa, ja que una diferència d'1 K és idèntica a una diferència d'1 °C.
Característiques de l'escala Kelvin
L'escala Kelvin és una escala absoluta , el que significa que inicia al zero absolut, sense valors negatius. A diferència de les escales Celsius o Fahrenheit , el kelvin no utilitza el símbol de grau (°). Això és perquè no mesura en "graus" relatius, sinó en termes absoluts d'energia tèrmica.
Per exemple:
- 0 K (zero absolut) representa l'absència teòrica de moviment tèrmic.
- 273,15 K és el punt de congelació de laigua.
- 373,15 K és el punt d‟ebullició de l‟aigua (a pressió estàndard).
Diferències clau amb altres escales
- Celsius: Es basa en punts de referència relatius (congelació i ebullició de laigua). L'escala Kelvin es desplaça 273,15 unitats cap avall, però les diferències són equivalents (1 K = 1 °C).
- Fahrenheit: utilitza punts de referència diferents i una relació no lineal amb el kelvin. Per convertir de kelvin a Fahrenheit, calen passos intermedis.
Usos del kelvin
El kelvin és essencial en múltiples disciplines científiques i tècniques degut al seu caràcter absolut i precisió. Entre les aplicacions destaquen:
1. Termodinàmica i física fonamental
El kelvin és fonamental per descriure fenòmens tèrmics i energètics, com ara:
- Comportament de gasos ideals.
- Energia cinètica mitjana de partícules.
- Transferència de calor.
2. Temperatura de color
En il·luminació i fotografia, el kelvin es fa servir per mesurar la temperatura de color de fonts de llum, basada en el principi del cos negre.
La temperatura del color és una mesura que descriu les característiques cromàtiques duna font de llum, expressada en kelvin (K). Es basa en la idea de com un cos negre ideal (un objecte que absorbeix tota la radiació electromagnètica incident i reemet energia segons la temperatura) emet llum visible a diferents temperatures.
A mesura que el cos negre s'escalfa, la llum que emet canvia de color i passa per diferents tons al llarg de l'espectre visible.
Per exemple:
- Fonts càlides (llum vermellosa): ~2000–4000 K.
- Fonts fredes (llum blavosa): >7500 K.
3. Electrònica i soroll tèrmic
En enginyeria electrònica, s'utilitza el kelvin per analitzar el soroll tèrmic dels circuits, conegut com a soroll Johnson-Nyquist. Aquest soroll està relacionat amb la temperatura i permet avaluar leficiència i les limitacions de sistemes electrònics.
4. Astronomia i cosmologia
En astrofísica, el kelvin mesura temperatures extremes, com la superfície de les estrelles o el fons de radiació còsmica (~2,7 K).
Curiositats i consideracions històriques
- Antigament: S'usava el terme "grau Kelvin" (°K), però des de 1968 es va eliminar l'ús del símbol de grau.
- Analogia errònia: De vegades es confon el kelvin amb el grau Celsius a causa de la proximitat de les magnituds, encara que conceptualment són diferents.