ケルビン

18世紀には、華氏と摂氏をはじめとする複数の温度目盛が開発されました^{[ 9 ]} 。これらの目盛は、原子論や絶対零度の概念を支える気体運動論など、現代の熱力学の多くの分野に先行するものでした。その代わりに、人間の経験の範囲内で容易に再現でき、妥当な精度で再現可能な定義点が選ばれましたが、熱物理学において深い意味はありませんでした。摂氏目盛（および既に廃止されたニュートン目盛とレオミュール目盛）の場合、氷の融点がそのような出発点として用いられ、摂氏は（1740年代から1940年代にかけて）次のように温度計を校正することによって定義されました。

• 水の凝固点は0  ℃です。
• 水の沸点は100  ℃です。

この定義は、海面における自然気圧に近似するように選択された特定の圧力 下での純水を前提としています。したがって、1 ℃の上昇は、融点と沸点の温度差の1/100に相当します。この温度間隔は、後にケルビン温度目盛にも使用されました。

1787年から1802年にかけて、ジャック・シャルル（未発表）、ジョン・ドルトン^{[ 10 ] [ 11 ]}、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック^{[ 12 ]}によって、一定圧力下では、理想気体は0℃から100℃までの温度変化1 ℃あたり約1/273の割合で体積が直線的に膨張または収縮する（シャルルの法則）ことが決定されました。この法則を外挿すると、約-273℃まで冷却された気体は体積がゼロになることが示唆されました。   

1873年、ウィリアム・トムソンの兄ジェームズは、物質の固体、液体、気体の相が熱力学的平衡状態で共存できる温度と圧力の組み合わせを表す用語「三重点」^{[ 34 ]}を造語した。任意の2つの相は、さまざまな温度と圧力の組み合わせで共存できるが（例えば、水の沸点は圧力を上げたり下げたりすることで劇的に変化する）、特定の物質の三重点条件は、単一の圧力と単一の温度でのみ発生する。1940年代までに、水の三重点は、標準大気圧の約0.6%であり、当時使用されていた摂氏の歴史的な定義によれば0.01℃に非常に近いことが実験的に測定された。 

 1948年、セルシウス目盛は、水の三重点温度を正確に0.01℃の値として割り当て^{[ 35 ]}、標準大気圧での融点が経験的に決定された値（および周囲圧力での実際の融点が変動する値）で0℃に近い値を持つことを許容する ことによって再較正されました。これは、三重点が融点よりも正確に再現可能な基準温度を与えると判断されたという理由で正当化されました^{[ 36 ]。}三重点は±0.0001  ℃の精度で測定できますが、融点は±0.001  ℃までしか測定できません^{[ 35 ] 。}

1954年、 当時使用されていた摂氏の定義によれば絶対零度は約-273.15℃であることが実験的に決定されたため、第10回国際度量衡総会 （CGPM）決議3では、三重点を正確に273.15 + 0.01 = 273.16ケルビンと定義する新しい国際的に標準化されたケルビン尺度が導入された。^{[ 37 ] [ 38 ]}

1967/1968年に、第13回CGPMの決議 3は、熱力学的温度の単位増分を「ケルビン」（記号K）に改名し、「ケルビン度」（記号°K）に置き換えた。^{[ 39 ] [ 40 ]}第13回CGPMは決議4で、「熱力学的温度の単位であるケルビンは、水の三重点の熱力学的温度の1 / 273.16の 割合に等しい」とした。 ^{[ 4 ] [ 41 ] [ 42 ]}

1983年のメートルの再定義後、ケルビン、秒、キログラムは、他の単位との関連で定義されていない唯一のSI単位となった。

2005年、国際度量衡委員会（CIPM）（CGPMの委員会）は、三重点は水サンプルを構成する水素と酸素の同位体比によって影響を受ける可能性があり、これが「現在、水の三重点のさまざまな実現値間の観測された変動の主要な原因の1つ」であると指摘し、水の三重点の温度を規定する目的で、ケルビンの定義はウィーン標準平均海水に指定された同位体組成を持つ水を参照すると断言した。^{[ 4 ] [ 43 ] [ 44 ]}

ボルツマン定数k _{B は}、特性微視的エネルギーを巨視的温度スケールにリンクする関係E = k _B Tの橋渡し役を果たします。 ^{[ 45 ]}国際単位系 (SI) では、ケルビンは伝統的に独自の次元を持つ独立した基本単位として扱われてきました。対照的に、基礎物理学では、ボルツマン定数を 1 に設定して温度とエネルギーが同じ単位を共有するように自然単位を採用するのが一般的です。^{[ 45 ] [ 46 ]}

2005年、CIPMは、ボルツマン定数を用いてケルビンを再定義するプログラムを開始し、同時に他のいくつかのSI基本単位についても基本定数を用いて新たな定義を検討した。その動機は、水の三重点から遠く離れた温度でのより正確な測定を可能にし、特定の物質や測定に依存しないようにすることであった。^{[ 47 ]}当初は2011年にボルツマン定数を用いて採用される予定であった。1.380 65 X × 10 ⁻²³  J/K、Xは未決定^{[ 48 ]}三重点の精度を維持することに関する懸念が生じ、再定義はより正確な測定が可能になるまで延期され、これらの実験には場合によっては数年を要した。^{[ 49 ] [ 50 ]}最終的に、ケルビンの再定義は、2019 年の SI のより大規模な改訂の一部となった。2018 年後半、第 26 回国際度量衡総会 (CGPM) は、k _B  =の値を採用した。 1.380 649 × 10 ⁻²³  J⋅K ^{−1 ‍ [51 ] [ 48 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] [ 52 ]}そして新しい定義は、メートル条約の144周年記念日である2019年5月20日に正式に発効した。^{[ 52 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ]}

この新しい定義により、ケルビンはボルツマン定数と普遍定数のみに依存するようになり（2019年のSI単位の依存関係図を参照）、ケルビンは次のように表すことができます。^{[ 2 ]}

1 ケルビン = ⁠1.380 649 × 10 ⁻²³ / (6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 ) ⁠ ⁠ h Δ ν _Cs / k _B ⁠ ≈2.266 6653 ⁠ h Δ ν _Cs / k _B ⁠。

実際には、目標どおり^{[ 47 ]}、この変更はほとんど気づかれなかった。選択された値は連続性を保つのに十分な精度と有効数字を備えており、水が依然として 高精度で0℃で凍結することを保証する^{[ 53 ]} 。違いは基準点の状態にある。再定義前は、水の三重点は正確な値とみなされていたが、ボルツマン定数には測定値があった。1.380 649 03 (51) × 10 ⁻²³  J/K、相対標準不確かさ3.7 × 10 ⁻⁷。^{[ 54 ]}その後、ボルツマン定数は正確になり、不確かさは水の三重点に伝達され、現在は273.1600(1)  K . ^{[ a ]}

より深いレベルでは、ケルビンは現在ジュールで定義されているため、理論的には温度次元を別個に存在させる必要はなくなりました。ケルビンは、1 K = 100の非整合的な派生SI単位として再定義することもできました。1.380 649 × 10 ⁻²³  J。 ^{[ 45 ] [ 56 ]}しかし、「歴史的、特に実用的な理由から、ケルビンは引き続きSIの基本単位となる」。 ^{[ 57 ]}

ケルビンは、光源の色温度の尺度としてよく用いられます。色温度は、黒体放射体がその温度に固有の周波数分布を持つ光を放射するという原理に基づいています。約100℃以下の黒体は、4000  Kは赤みがかって見えるが、それ以上の温度では約7500  Kは青みがかって見える。色温度は画像投影や写真の分野で重要であり、約 7500 K の色温度が「昼光」用フィルム乳剤の色温度に合わせるには、 5600K が必要である。

天文学では、恒星の分類とヘルツシュプルング・ラッセル図上の位置は、部分的には有効温度として知られる表面温度に基づいている。例えば、太陽の光球の有効温度は5772  K ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} IAU 2015決議B3で採択。

デジタルカメラや写真編集ソフトでは、編集メニューや設定メニューで色温度をケルビン（K）で表示することがよくあります。簡単に言うと、色温度が高いほど白と青の色合いが強調された画像になり、色温度が低いほど赤みがかった「暖色系」の画像になります。

電子機器においては、ケルビンは回路のノイズレベルを究極的なノイズフロア、すなわちノイズ温度と比較した指標として使用されます。抵抗器のジョンソン・ナイキストノイズ（コンデンサと組み合わせると関連するkTCノイズを生じます）は、ボルツマン定数から導出される熱ノイズの一種であり、フリースノイズ公式を用いて回路のノイズ温度を決定するために使用できます。