| Riferimento | Kelvin (°K) | Celsius (°C) |
|---|---|---|
| Absolute zero | 0 °K | -273.15 °C |
| Freezing point of water | 273.15 °K | 0 °C |
| Average room temperature | 293.15 °K | 20 °C |
| Human body temperature | 310.15 °K | 37 °C |
| Boiling point of water | 373.15 °K | 100 °C |
Il kelvin è l’unità di base della temperatura termodinamica nel Sistema internazionale di unità. Il suo simbolo è K, scritto senza segno di grado e senza la parola grado, sicché le temperature si indicano come 300 kelvin e non come 300 gradi kelvin.
Il suo zero è lo zero assoluto, la temperatura alla quale il moto termico delle particelle raggiunge il minimo consentito dalla meccanica quantistica. Nulla può essere più freddo, il che fa del kelvin una scala assoluta e non relativa. Questa proprietà conta in fisica perché i rapporti acquistano senso: un gas a 600 kelvin ha il doppio della temperatura assoluta di uno a 300, affermazione semplicemente falsa se le stesse temperature si scrivono in Celsius o in Fahrenheit.
L’ampiezza del kelvin è identica a quella del grado Celsius, per cui le differenze di temperatura sono numericamente uguali nei due. Cambia solo lo sfasamento, che vale esattamente 273,15. William Thomson, poi lord Kelvin, propose la scala assoluta nel 1848, deducendo dai lavori di Carnot sulle macchine termiche che doveva esistere una temperatura termodinamica indipendente da qualunque sostanza particolare.
Dal 2019 il kelvin è definito fissando la costante di Boltzmann a esattamente 1,380649 per dieci elevato a meno ventitré joule per kelvin. La definizione precedente usava il punto triplo dell’acqua, un riferimento fisico reale che tuttavia dipende dalla composizione isotopica del campione. Criogenia, astronomia, spettroscopia e temperatura di colore in fotografia e illuminazione usano l’unità, ed è per questo che una lampadina a luce calda si vende come 2700 K e la luce diurna come 5500 K.
Discipline intere abitano punti precisi della scala. Il fondo cosmico di microonde sta a 2,725 kelvin, il punto di ebollizione dell’elio liquido a 4,2, e i superconduttori del tipo antico lavorano sotto i 20 circa, ragione per cui richiedono elio anziché azoto. L’azoto liquido bolle a 77 kelvin e costa poco, sicché la scoperta nel 1986 di materiali superconduttori sopra quel segno mutò ciò che era praticabile. All’altro capo, una lampada a filamento lavora presso i 2800 kelvin, la superficie del Sole sta a 5800 e il suo nucleo raggiunge quindici milioni. Esprimere tutto questo su un’unica scala con uno zero fisico è ciò che rende significativi simili confronti.
Zero kelvin equivale a meno 273,15 gradi Celsius, e 273,15 kelvin equivalgono a 0 gradi Celsius.
Il grado Celsius è un’unità di temperatura su una scala in cui l’acqua gela a 0 e bolle a 100 alla pressione atmosferica normale. Il suo simbolo è il segno di grado seguito da C. È l’unità quotidiana di temperatura di quasi tutti i paesi del mondo, e il suo grado ha esattamente la stessa ampiezza del kelvin.
Anders Celsius propose la scala nel 1742 con i numeri rovesciati: 0 per il punto di ebollizione dell’acqua e 100 per quello di congelamento. Si discute se fu Celsius stesso, Carlo Linneo o il costruttore di strumenti Daniel Ekström a capovolgerla, ma l’inversione avvenne pochi anni dopo la sua morte e da allora la scala sale. Per due secoli fu detta scala centigrada e nel 1948 fu rinominata in onore di Celsius, anche perché centigrado indicava già un centesimo di angolo retto nella topografia francese e spagnola.
La definizione moderna non fa più alcun riferimento all’acqua. La scala Celsius si definisce a partire dal kelvin, con lo zero gradi Celsius fissato a esattamente 273,15 kelvin, e il kelvin stesso fissato dalla costante di Boltzmann dal 2019. I punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua sono ora risultati di misura e non definizioni, e nessuno dei due cade esattamente a 0 o a 100 in tutte le condizioni.
Gli Stati Uniti sono l’unico grande paese che dà il meteo in Fahrenheit, e perfino lì le scienze lavorano in Celsius. Temperatura corporea, cucina, meteorologia e controllo dei processi industriali usano l’unità, e i suoi due punti di ancoraggio sono abbastanza memorabili perché quasi chiunque stimi una temperatura sconosciuta senza convertirla.
Una distinzione di grammatica porta qui un senso reale. Una temperatura si scrive in gradi Celsius, ma una differenza fra due temperature si scrive in kelvin, poiché le due scale condividono lo stesso intervallo e differiscono solo per dove sta lo zero. I calcoli di calore esprimono perciò la capacità termica massica in joule per chilogrammo e per kelvin anche quando le temperature stesse sono date in Celsius, e un aumento di cinque gradi Celsius è un aumento di esattamente cinque kelvin. La convenzione pare pedante finché un calcolo non mescola una temperatura assoluta con una differenza di temperatura: allora tenerle distinte è l’unica cosa che impedisce a uno scarto di 273,15 di entrare nell’aritmetica.
Zero gradi Celsius equivale a 273,15 kelvin o a 32 gradi Fahrenheit, e una variazione di un grado Celsius equivale a una variazione di 1,8 gradi Fahrenheit.