Kelvin

 Nota: Para outros significados, veja Kelvin (desambiguação).

O kelvin (símbolo: K) é a unidade de base do Sistema Internacional de Unidades (SI) para a grandeza temperatura termodinâmica. O kelvin é a fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água, ou seja, é definido de tal modo que o ponto triplo da água é exatamente 273,16 K.^[1] É uma das sete unidades de base do SI, muito utilizada na física e química. É utilizado para medir a temperatura absoluta de um objeto, com zero absoluto sendo 0 K.

A escala kelvin recebeu este nome em homenagem ao físico e engenheiro irlandês William Thomson (1824–1907), 1º barão Kelvin, que escreveu sobre a necessidade de uma "escala termométrica absoluta".

Diferentemente do grau Fahrenheit e do grau Celsius, o kelvin não é referido nem escrito como um grau. O kelvin é a unidade primária de medida de temperatura nas ciências físicas, mas é frequentemente usado em conjunção com o grau Celsius, que tem a mesma magnitude.

História

Um termômetro calibrado na escala Celsius (esquerda) e Kelvin (direita)

Lorde Kelvin.

A escala kelvin foi proposta em 1848 por William Thomson (Lorde Kelvin), que escreveu em seu artigo, On an Absolute Thermometric Scale, a necessidade de uma escala em que "frio infinito" (zero absoluto) fosse o ponto nulo da escala. Thomson calculou que o zero absoluto é equivalente a -273 °C.^[2] Esta escala absoluta é conhecida hoje como a escala de temperatura termodinâmica kelvin.

Em 1954, a Resolução 3 da décima Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) deu à Escala kelvin sua definição moderna, designando o ponto triplo da água como seu segundo ponto de definição e atribuiu a sua temperatura exatamente 273,16 kelvin.^[3]

Em 1967/1968 Resolução 3 da 13 ª CGPM renomeou o incremento da unidade de temperatura termodinâmica "kelvin", símbolo K, substituindo "grau kelvin" , símbolo ° K.^[4] Além disso, considerou-se útil definir explicitamente a magnitude do incremento de unidade, a 13 ª CGPM também realizada na Resolução 4, que "o kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é igual à fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água".^[5]

Em 2005, o Comité Internacional de Pesos e Medidas (CIPM), uma comissão do CGPM, afirmou que com o objectivo de delinear a temperatura do ponto triplo da água, a definição da escala de temperatura termodinâmica kelvin remete à água com uma composição isotópica especificada como Vienna Standard Mean Ocean Water.^[6]

Definição

O zero absoluto, na escala kelvin, é a temperatura de menor energia de um sistema, no entanto nenhum sistema pode ser arrefecido até tal temperatura. Uma das temperaturas mais baixas já atingidas em laboratório foi de 4 K. Nessa temperatura, o hélio torna‑se líquido.^[7]

O símbolo para o kelvin é sempre um K maiúsculo e nunca é escrito em itálico. Há um espaço entre a grandeza numérica e o símbolo da unidade (por exemplo, "99,987 K").

A palavra "kelvin" (nome da unidade) é escrita com inicial minúscula (exceto no princípio das frases), igualmente de acordo com a normas do SI; escreve-se em português com k inicial, de acordo com a norma ortográfica que o permite para estrangeirismos aportuguesados — as formas plenamente aportuguesadas "quélvim" e "quélvine" não são usadas, ainda que reflita a pronúncia habitual em português.

Enquanto unidade do SI, o kelvin não deve ser precedido pelas palavras 'grau' ou 'graus' ou pelo símbolo °, como em grau Celsius e grau Fahrenheit. Isto acontece porque estas são escalas de medição, enquanto o kelvin é uma unidade de medição. A omissão de "grau" também indica que não é relativo a um ponto de referência arbitrária como as escalas Celsius e Fahrenheit, mas sim uma unidade absoluta de medida que pode ser manipulada algebricamente (por exemplo, multiplicado por dois para indicar o dobro da quantidade de "energia média", disponível entre graus de liberdade elementares do sistema).

Recordes

Até 2005 a temperatura mais baixa obtida para um condensado Bose-Einstein era de 450 pK, ou 0,00000000045 K, obtida por Wolfgang Ketterle e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.^[8] A mais baixa temperatura já obtida foi de 100 pK, durante uma experiência de ordenação magnética nuclear em 1999 no Laboratório de Baixas Temperaturas da Universidade de Tecnologia de Helsinque.^[9]

Recentemente foram feitos experimentos em 2012 onde foi possível ultrapassar o zero absoluto, uma coisa que até então se acreditava ser impossível. Para chegar a esse resultado, cientistas da Universidade Ludwig Maximilian, na Alemanha, criaram um gás quântico com átomos de potássio alinhados de maneira específica com a ajuda de lasers e campos magnéticos. Assim, quando os campos magnéticos foram rapidamente ajustados, os átomos passaram de um estado de baixa energia para um estado com o mais alto nível de energia possível. Essa transição, aliada ao fato de que os átomos continuaram em ordem graças ao feixe laser, fez com que a temperatura do gás ultrapassasse alguns bilionésimos de graus abaixo da temperatura de zero absoluto (-273,15° C). O físico teórico Achim Rosch, da Universidade de Colônia, na Alemanha, calcula que, em um sistema como esse, os átomos abaixo do zero absoluto passam a flutuar em vez de serem puxados pela gravidade. Outra peculiaridade desse gás é que ele passa a se comportar de maneira semelhante à da energia escura, força que ainda é considerada como um dos mistérios ainda não resolvidos da física e que tem papel fundamental na expansão do universo, já que desafia a gravidade que tenta fazer o universo voltar para o seu centro.^[10][11]

Usos práticos

Por razões históricas, é comum expressar a temperatura termodinâmica ${\displaystyle T}$ como a diferença entre essa temperatura e o ponto de congelamento da água ${\displaystyle T_{0}}$. Essa diferença é igual à temperatura Celsius ${\displaystyle t}$, que é definida por:

${\displaystyle t=T-T_{0}}$.

Uma vez que a magnitude do kelvin é igual à magnitude do grau Celsius, um intervalo de temperatura pode ser expresso em kelvins ou em graus Celsius.^[12]

Na eletrônica, o kelvin é usado para expressar a temperatura de ruído. O chamado ruído Johnson-Nyquist de resistências discretas e capacitores é um tipo de ruído térmico derivado a partir da constante de Boltzmann e pode ser utilizado para determinar a temperatura de ruído de um circuito usando a fórmula de Friis para ruído.^{[carece de fontes?]}

O kelvin é também utilizado como unidade de medida da temperatura de cor, que expressa a aparência de cor da luz emitida pela fonte de luz, que está baseada na relação entre a temperatura de um material hipotético e padronizado, conhecido como "corpo negro radiador", e a distribuição de energia da luz emitida à medida que a temperatura do corpo negro é elevada a partir do zero absoluto.^{[carece de fontes?]}

Conversão de unidades de temperatura

Fórmulas de conversão de temperaturas em kelvin

Conversão de	para	Fórmula
kelvin	grau Fahrenheit	°F = K × 1,8 - 459,67
grau Fahrenheit	kelvin	K = (°F + 459,67) / 1,8
kelvin	grau Celsius	°C = K - 273,15
grau Celsius	kelvin	K = °C + 273,15
kelvin	rankine	°Ra = K × 1,8
rankine	kelvin	K = °Ra / 1,8
kelvin	réaumur	°Ré = (K - 273,15) × 0,8
réaumur	kelvin	K = °Ré × 1,25 + 273,15

Temperaturas abaixo do zero absoluto

Devido à definição formal de temperatura em termodinâmica, temperaturas abaixo do zero absoluto são possíveis, mas correspondem a temperaturas mais quentes do que temperaturas positivas.^[13][14][15]

Ver também

• grau Celsius
• grau Fahrenheit
• Rankine
• Réaumur
• Termômetro
• Temperatura
• Ponto triplo
• Zero absoluto

Referências

1. «Kelvin». IUPAC Compendium of Chemical Terminology - the Gold Book (em inglês). International Union of Pure and Applied Chemistry. Consultado em 8 de maio de 2008
2. Thomson, William (October 1848). "On an Absolute Thermometric Scale".Philosophical Magazine. Retrieved 2008-02-06.
3. "Resolution 3: Definition of the thermodynamic temperature scale". Resolutions of the 10th CGPM. Bureau International des Poids et Mesures. 1954. Retrieved 2008-02-06.
4. "Resolution 3: SI unit of thermodynamic temperature (kelvin)". Resolutions of the 13th CGPM. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. Retrieved 2008-02-06.
5. Resolution 4: Definition of the SI unit of thermodynamic temperature (kelvin)".Resolutions of the 13th CGPM. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. Retrieved 2008-02-06.
6. "Unit of thermodynamic temperature (kelvin)" Arquivado em 26 de setembro de 2007, no Wayback Machine.. SI Brochure, 8th edition. Bureau International des Poids et Mesures. 1967. pp. Section 2.1.1.5. Retrieved 2008-02-06.
7. Lauricella, Arduíno Francesco, "Fundamentos da termodinâmica" ‑São Paulo: Editora Sol, 2013
8. «physicsworld.com homepage». physicsweb.org (em inglês). Consultado em 27 de setembro de 2017
9. «World record in low temperatures». Consultado em 25 de maio de 2018. Cópia arquivada em 18 de junho de 2009
10. Merali, Zeeya. «Quantum gas goes below absolute zero». Nature (em inglês). doi:10.1038/nature.2013.12146
11. «Absolute zero is no longer absolute zero». The Verge
12. «The International System of Units (SI)» (PDF) (em inglês). Bureau International des Poids et Mesures. p. 114
13. Atkins, Peter W. (25 de março de 2010). The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction. [S.l.]: Oxford University Press. pp. 89–95. ISBN 9780199572199. OCLC 467748903
14. Ramsey, Norman (1 de julho de 1956). «Thermodynamics and Statistical Mechanics at Negative Absolute Temperatures». Physical Review. 103 (1): 20–28. Bibcode:1956PhRv..103...20R. doi:10.1103/PhysRev.103.20
15. Tremblay, André-Marie (18 de novembro de 1975). «Comment on: Negative Kelvin temperatures: some anomalies and a speculation» (PDF). American Journal of Physics. 44 (10): 994–995. Bibcode:1976AmJPh..44..994T. doi:10.1119/1.10248

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