Kelvin (K)
Definition, realisering och temperaturmätning inom det internationella enhetssystemet
Temperatur är en grundläggande fysikalisk storhet som beskriver det termiska tillståndet hos ett system. Den påverkar kemiska reaktioner, materialegenskaper, biologiska processer och tekniska system. Trots detta är det relativt få som känner till hur SI-enheten kelvin i dag definieras och hur denna definition realiseras i praktiken.
Den moderna kelvin är inte knuten till en specifik materials egenskaper eller en särskild referenspunkt, utan definieras genom en fundamental naturkonstant. För att förstå detta är det, liksom för övriga SI-basenheter, nödvändigt att skilja mellan definition, realisering och praktisk användning.
Kelvins definition i SI-systemet
Sedan 2019 är kelvin definierad inom det internationella enhetssystemet (SI) enligt följande princip:
Kelvin är SI-enheten för termodynamisk temperatur. Den definieras genom att Boltzmanns konstant k ges det exakta numeriska värdet
1,380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹.
Eftersom joule kan uttryckas i termer av kilogram, meter och sekund (J = kg·m²·s⁻²), innebär denna definition att kelvin är direkt kopplad till energi på mikroskopisk nivå.
Temperatur kan därmed tolkas som ett mått på den genomsnittliga termiska energin hos systemets partiklar.
Historisk bakgrund och SI-reformen 2019
Före 2019 var kelvin definierad genom vattnets trippelpunkt, som tilldelades temperaturen exakt 273,16 K. Denna definition var praktiskt användbar men knöt temperaturmåttet till ett specifikt materials egenskaper och isotopsammansättning.
SI-reformen 2019 innebar ett skifte till en konstantbaserad definition, där kelvin i stället knöts till Boltzmanns konstant. Därmed blev temperatur en helt universell storhet, oberoende av specifika ämnen eller fasövergångar.
Samtidigt säkerställdes kontinuitet: temperaturvärden före och efter omdefinitionen förblev oförändrade inom mätosäkerheten.
Definition, realisering och användning
Även för temperaturmätning är det viktigt att skilja mellan tre nivåer:
Definitionen anger vad kelvin är i principiell mening och är knuten till Boltzmanns konstant.
Realiseringen avser de experimentella metoder genom vilka denna definition omsätts i praktiska temperaturstandarder.
Användningen avser temperaturmätning i laboratorier, industri, klimatforskning och vardag.
Realisering av kelvin
Definitionen av kelvin föreskriver ingen specifik metod för temperaturmätning. I stället finns flera primära termometriska metoder som kan användas för att realisera temperaturen direkt ur definitionen.
Gemensamt för dessa metoder är att de kopplar temperatur till energi, rörelse eller spektrala egenskaper hos partiklar.
Primära termometriska metoder
Exempel på primära metoder för realisering av kelvin är:
- Akustisk gastermometri, där temperaturen bestäms genom ljudhastigheten i en gas.
- Johnson-brus-termometri, där temperatur relateras till det termiska bruset i en elektrisk resistor.
- Doppler-bredningstermometri, där spektrallinjers bredd används för att bestämma partiklars hastighetsfördelning.
- Strålnings- och optisk termometri, där temperatur bestäms från det elektromagnetiska spektrumet hos termisk strålning.
Dessa metoder kan realisera temperatur utan kalibrering mot fasta referenspunkter.
Sekundära temperaturstandarder
I praktiska tillämpningar används ofta sekundära temperaturstandarder, såsom platinaresistanstermometrar och termoelement. Dessa är inte primära realiseringar av kelvin, men är kalibrerade mot primära metoder eller fastställda temperaturpunkter och erbjuder hög stabilitet och reproducerbarhet.
Internationella temperaturskalor, exempelvis ITS-90, används för att säkerställa konsekvent temperaturmätning över ett brett temperaturområde.
Kelvins roll i härledda enheter
Kelvin ingår i flera härledda SI-enheter och fysikaliska samband, bland annat:
- joule per kelvin (värmekapacitet)
- pascal per kelvin (termiska expansionseffekter)
- watt per kvadratmeter per kelvin (värmeöverföring)
En stabil och universell definition av kelvin är därför avgörande för termodynamik, materialvetenskap och klimatforskning.
Praktisk temperaturmätning
I vardag och industri mäts temperatur nästan alltid indirekt, exempelvis genom förändringar i elektrisk resistans, spänning eller strålning. Dessa mätningar är spårbara till SI-definitionen genom kalibreringskedjor som börjar i primära realiseringar av kelvin.
Sammanfattning
Kelvin är i dag definierad genom Boltzmanns konstant och utgör därmed en temperaturenhet som är direkt kopplad till energi på mikroskopisk nivå. Denna definition gör kelvin oberoende av specifika material och möjliggör temperaturmätning med hög precision över mycket breda temperaturintervall.
Övergången till en konstantbaserad definition har stärkt temperaturmätningens fundament och gjort kelvin till en fullt integrerad del av det moderna, sammanhängande SI-systemet.