Voir la source de Kelvin

{{Voir homonymes|Kelvin (homonymie)}}
{{Infobox Unité
 | unité = kelvin
 | image = CelsiusKelvinThermometer.jpg
 | légende = Thermomètre gradué en [[degré Celsius|degrés Celsius]]<ref group="Note">Sur cette image, le symbole pour le degré Celsius est erroné, il devrait être noté « °C ».</ref> et en kelvins.
 | système = [[Système international d'unités|Système international]] ([[Unités de base du Système international|unité de base]])
 | quantité = [[Température thermodynamique]]
 | symbole = K
 | éponyme = [[William Thomson (Lord Kelvin)|William Thomson, Lord Kelvin]]
}}

Le '''kelvin''' (nom masculin, prononcé {{MSAPI|/kɛl.vɛ̃/}}{{prononciation|Fr-Paris--kelvin.ogg}}, ou {{MSAPI|/kɛl.vin/}}{{prononciation|Fr-Paris--kelvin--2.ogg}}), du nom de [[William Thomson (Lord Kelvin)|William Thomson]], dit Lord Kelvin{{Note |nom=MinMaj |groupe=Note |texte=Par convention concernant les [[Système international d'unités#Règles orthographiques et typographiques|règles orthographiques et typographiques des unités]], les noms d'[[Unité de mesure|unité]] sont des noms communs, donc s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »). En revanche, le symbole du kelvin s'écrit avec une majuscule, selon la norme SI concernant le symbole des unités dont le nom provient d'un nom propre de personne. La lettre ''k'' minuscule est par ailleurs l'initiale du symbole SI des unités multiples en « kilo- » : km, kg{{etc}} ; en particulier, le symbole du kilokelvin est kK.}}, de symbole K<ref name=MinMaj group=Note/>, est l'[[Unités de base du Système international|unité de base]] de [[température thermodynamique]] dans le [[Système international d'unités|Système international]].

Jusqu’au {{date|20 mai 2019}}, le kelvin était défini comme la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du [[point triple]] de l'[[eau]] ({{H2O}}), une variation de température de {{nobr|1 K}} étant équivalente à une variation de {{DTempérature|1|°C|||*}}<ref name="BIPM Kelvin">[http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter2/2-1/kelvin.html Unité de température thermodynamique (kelvin)], [[Bureau international des poids et mesures]].</ref>. La nouvelle définition a pour objectif de respecter cette valeur, mais en l’ancrant sur une valeur fixée de la [[constante de Boltzmann]].

À la différence du [[degré Celsius]], le kelvin est une mesure absolue de la température qui a été introduite grâce au [[troisième principe de la thermodynamique]]. La température de {{unité|0|K}} est égale à {{tmp|-273.15|°C}} et correspond au [[zéro absolu]] (le [[Point triple|point triple de l'eau]] est donc à la température {{tmp|0.01|°C}}).

Le kelvin, n'étant pas une mesure relative, n'est jamais précédé du mot « degré » ni du symbole « ° », contrairement aux degrés Celsius ou [[Degré Fahrenheit|Fahrenheit]].

== Échelle kelvin des températures ==
L'échelle des températures Celsius est, par définition, la [[température absolue]] décalée en origine de {{unité|273.15|K}} :
:<math>T_\mathrm{K} = T_\mathrm{C} + 273{{,}}15 \ </math> avec :
* <math>T_\mathrm{K}</math> la température en kelvins ;
* <math>T_\mathrm{C}</math> la température en [[degrés Celsius]].

On en déduit que :
* le [[zéro absolu]] est situé à {{tmp|-273.15|°C}} ;
* les températures en kelvins ne sont jamais négatives{{Note|groupe=Note|texte=Il existe cependant des cas très particuliers où on parle de températures négatives en K, par exemple, pour des systèmes avec une [[inversion de population]]. Cette [[température négative]] ({{mvar|T}} < {{unité|0 K}}) ne correspond cependant pas à la notion habituelle de chaud et de froid. Ici, {{mvar|T}} est la dérivée <math>T = \left ( \frac{\partial U}{\partial S} \right ) \!</math>}} ;
* les intervalles de l'échelle du degré Celsius sont identiques à ceux du kelvin.

L'inverse de la température est un paramètre qui intervient souvent dans les formules. Les physiciens utilisent parfois le paramètre β tel que :
:<math> \beta = \frac{1}{k_\text{B} T}\ </math> avec <math>T</math> en kelvins et où <math>k_\text{B}\ </math> est la [[constante de Boltzmann]].

== Conversion vers les autres unités ==
En pratique :
* kelvins en degrés Celsius : '''°C = K − 273,15'''
* degrés Celsius en kelvins : K = °C + 273,15
* kelvins en degrés Fahrenheit : °F = K × 1,8 − 459,67
* degrés Fahrenheit en kelvins : K = (°F + 459,67) / 1,8

Ainsi, {{tmp|0|°C}} = 273,15 K, {{tmp|1|°C}} = 274,15 K{{etc}}

== Construction de l'unité kelvin et conséquences ==

De 1954 à 2019, l'unité de température du [[Système international d'unités|Système international]] et ses [[Unités dérivées du Système international|unités dérivées]], déterminées par une convention internationale, sont fondées sur la [[température thermodynamique]] du [[point triple]] de l'eau, ''T''{{expInd| {{H2O}}|T}} = {{unité|273,16 K}} :
* kelvin (K) : 
** origine : {{Unité|0|K}} = [[zéro absolu]],
** valeur : {{sfrac|''T''{{expInd| {{H2O}}|T}}|273,16}} (fraction {{sfrac|1|273,16}} de la température thermodynamique du point triple de l'[[eau]]) ; 
* [[degré Celsius]] (°C) :
** valeur : identique au kelvin (c'est-à-dire qu'une différence de températures a la même valeur en degrés Celsius et en kelvins),
** origine : {{Unité|0|°C}} = {{unité|273,15|K}}. Le point triple de l'eau est donc à {{tmp|0.01|°C}} exactement. Le [[point de fusion]] de la glace à [[pression atmosphérique]] est à {{tmp|0|°C}}, approximativement.

La fraction {{frac|1|273,16}} est donc due au choix du point triple de l'eau comme point de référence et à la volonté de définir une unité de température qui permette de retrouver les intervalles de températures usuels associés aux anciennes échelles de température. Bien que la définition officielle actuelle du degré Celsius repose sur celle du kelvin, ce dernier a été établi postérieurement.

Historiquement, les points de référence choisis pour construire les échelles de température étaient la température de congélation de l'eau, qui définit le zéro, et la [[Point d'ébullition|température d'ébullition]], fixée à 100. Ces deux points définissaient ainsi une échelle [[Degré centigrade|centigrade]] dont le pas est un centième de la différence de température entre ces deux points. Cette échelle de température a longtemps été confondue avec l'échelle Celsius.

La notion de [[température thermodynamique]], et implicitement celle de [[température absolue]], introduit la notion de [[zéro absolu]], rendant inutile la référence à deux points. Un seul point fixe de référence suffit. Le point triple de l'eau, c'est-à-dire les conditions dans lesquelles coexistent les trois [[État de la matière|états]] (liquide, solide et gazeux) de l'eau, est un point de température et de pression invariantes ([[Variance (thermodynamique)|variance]] nulle). Il constitue donc un point fixe fondamental de référence<ref name="BIPM Kelvin"/>, plus stable que ne l'est la température de congélation, par exemple, qui dépend de nombreux paramètres et qui peut descendre à {{tmp|-38|°C}} pour de l'eau pure en [[surfusion]]<ref>{{en}} « [http://www.atmos-chem-phys.net/12/9817/2012/acp-12-9817-2012.html Heterogeneous ice nucleation on atmospheric aerosols: a review of results from laboratory experiments] », sur atmos-chem-phys.net (consulté le 8 mai 2017).</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Thomas |nom1=Peter |nom2=Athanasios Tsias |prénom3=Beiping |nom3=Luo |prénom4=Thomas |nom4=Koop |titre=Water activity as the determinant for homogeneous ice nucleation in aqueous solutions |périodique=[[Nature (revue)|Nature]] |volume=406 |numéro=6796 |date=2000-08 |issn=1476-4687 |doi=10.1038/35020537 |lire en ligne=https://www.nature.com/articles/35020537 |consulté le=2019-09-06 |pages=611-614}}.</ref>.

Une fois ce point de référence adopté, il reste à définir l'intervalle d'un kelvin qui est fixé comme suit : ''Le kelvin est la fraction {{frac|1|273,16}} de la température thermodynamique du point triple de l'eau''.

Celui-ci devient en retour la référence de la définition du degré Celsius. À la suite de cette réforme, ce dernier est réduit au statut d'[[Unités dérivées du Système international|unité dérivée du Système international]] : l'unité de température Celsius est égale par définition à l'unité de température kelvin, tout intervalle de température ayant la même valeur numérique dans les deux unités<ref name="BIPM Kelvin"/>.

En revanche, du fait de ce choix d'unité, la température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique normale n'est plus fixée à {{tmp|100|°C}} mais à {{tmp|99.9839|°C}}. Néanmoins, ce choix menant à un écart très faible avec la valeur 100, il permet de maintenir les définitions courantes des points de congélation et d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique : environ {{tmp|0|°C}} et environ {{tmp|100|°C}}.

En toute rigueur, seule l'échelle centigrade, obsolète, attribue encore la valeur exacte 100 à la température de ce point d'ébullition.

En [[2005]], la définition a été affinée<ref>[http://www.bipm.org/utils/fr/pdf/CIPM/CIPM2005-FR.pdf CIPM PV 94, recommandation 2 CI-2005] {{pdf}}, [[Bureau international des poids et mesures]].</ref> en spécifiant la composition [[isotope|isotopique]] de l’eau dont le point triple est utilisé :
* {{nombre|0,00015576|mole}} de [[deutérium|{{2}}H]] par mole de [[protium|{{1}}H]] ;
* {{nombre|0,0003799|mole}} de {{17}}O par mole de {{16}}O ;
* {{nombre|0,0020052|mole}} de {{18}}O par mole de {{16}}O.

Cette composition est celle du matériau de référence de l’[[Agence internationale de l'énergie atomique]] (AIEA), connu sous le nom de « [[Eau océanique moyenne normalisée de Vienne]] » (VSMOW, de l'anglais ''{{Langue|en|texte=Vienna Standard Mean Ocean Water}}''), tel que recommandé par l’[[Union internationale de chimie pure et appliquée]] (UICPA)<ref>{{en}} J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman et P. D. P. Taylor (2003), [http://www.iupac.org/publications/pac/2003/7506/7506x0683.html ''Atomic Weights of the Elements: Review 2000 (IUPAC Technical Report)''], ''[[Pure and Applied Chemistry]]'', {{vol.}}75, {{n°}}6, {{p.|683-800}}.</ref>.

En 2018, il est décidé de [[Redéfinition du Système international d'unités de 2018-2019|redéfinir les unités du système international]].

À partir du {{date-|20 mai 2019}}, à la suite des travaux du [[Comité international des poids et mesures]], la définition du kelvin change fondamentalement<ref>{{Lien web |url=https://lejournal.cnrs.fr/articles/mesures-le-grand-renversement |site=[[Centre national de la recherche scientifique|CNRS]]| titre=Mesures : le grand renversement |date=5 septembre 2018 |auteur=Mathieu Grousson |consulté le=28 septembre 2018}}.</ref>. Au lieu de se fonder sur les [[Changement d'état|changements d'état]] de l’eau pour définir l’échelle, la nouvelle définition se fonde sur l'énergie équivalente comme donnée par l'[[équation de Boltzmann]].

=== Nouvelle définition ===
La valeur du kelvin, K, est définie en fixant la valeur numérique de la [[constante de Boltzmann]] à exactement {{unité|1,380 649|e=-23|J||K|-1}} (ou {{unité||s|-2|m|2|kg||K|-1}})<ref>{{Article |langue=fr |auteur=Christophe Daussy|titre=Le SI reprend sa température |périodique=CNRS Le journal |date=hiver 2019 |url=https://lejournal.cnrs.fr/sites/default/files/numeros_papier/jdc295_complet_bd.pdf |format=pdf |pages=58-59}}.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=fr|format=pdf|titre=Projet de résolution A – {{26e}} réunion de la CGPM (13-16 novembre 2018)|url=https://www.bipm.org/utils/fr/pdf/CGPM/Draft-Resolution-A-FR.pdf|site=[[Bureau international des poids et mesures]]|date=13-16 novembre 2018|consulté le=14 janvier 2019}}</ref>.

Le kelvin est ainsi le changement de température thermodynamique résultant d’un changement de l’énergie thermique <math>kT</math> de <math>1,380\,649 \times 10^{-23} \mathrm{J}</math>,
ou de <math>\frac{1,380 \,649 \times 10^{-23}}{6,626\,070\,15 \times 10^{-34}}</math> [[constante de Planck|unités d'action]] {{mvar|h}} par [[Seconde (temps)|seconde]]<ref>
{{ouvrage|langue=fr |url=https://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure|titre=Brochure sur le SI : Le Système international d'unités |numéro d'édition=9}}.</ref>.

== Multiples et sous-multiples ==
{{Article connexe| Préfixes du Système international d'unités}}

En pratique on utilise très peu les multiples et sous-multiples du kelvin pour exprimer une température (quand c'est nécessaire on emploie plutôt une puissance de dix). En revanche on utilise quelques sous-multiples (notamment le millikelvin et le microkelvin, {{unité|mK}} et {{unité|µK}}) pour exprimer de petites différences ou variations de la température.

== Autres échelles de température ==
{{échelle de température}}

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références |groupe=Note |taille=30}} 

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets
|wiktionary=kelvin
}}

=== Articles connexes ===
* [[Température]]
* [[Zéro absolu]]
* [[Température de couleur]]

{{Palette|Système international|Grandeurs et unités|Échelles thermométriques|Lettre K}}

{{Portail|physique|froid et climatisation|énergie}}

[[Catégorie:Unité de mesure thermodynamique]]
[[Catégorie:Unité SI de base]]
[[Catégorie:Unité de mesure nommée d'après une personne]]
[[Catégorie:Échelle en météorologie]]