켈빈(kelvin, 기호: K)은 국제단위계(SI)에서 온도의 기본 단위이다. 켈빈 척도는 열역학적으로 가능한 가장 낮은 온도인 절대 영도를 0 K로 두는 절대 온도 척도이다. 정의에 따라 섭씨 척도(기호 °C)와 켈빈 척도의 단위 크기는 동일하며, 즉 1 켈빈의 온도 상승과 1 °C의 상승은 모두 1 K에 해당한다. 섭씨 단위로 표시된 온도에 273.15를 더하면 켈빈 척도로 환산할 수 있다. 0 K은 절대 영도에 해당하며, 섭씨 0도는 273.15 K에 해당한다.
정의와 역사
켈빈 단위의 명칭은 19세기 영국의 과학자 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨(1824–1907)의 이름에서 유래하였다. 톰슨은 1848년에 열역학 온도 척도를 제안하는 논문을 발표하였으며, 이후 1892년에 글래스고 대학교 부지를 흐르는 켈빈 강(River Kelvin)의 이름을 딴 "켈빈 남작" 작위를 받았다.
켈빈은 1954년에 정식으로 국제단위계에 추가되었으며, 당시에는 물의 삼중점 온도(0.01 °C)를 273.16 K으로 정의하는 방식이 사용되었다. 1967~1968년 제13차 국제 도량형 총회(CGPM)에서 단위 명칭이 "도 켈빈"(기호 °K)에서 "켈빈"(기호 K)으로 변경되었으며, 이후 도(°) 기호 없이 대문자 K만을 사용한다.
2019년 5월 20일부터 발효된 새로운 SI 정의에서는 볼츠만 상수 k_B를 정확히 1.380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹로 고정함으로써 켈빈을 정의한다. 이에 따라 켈빈은 더 이상 물의 삼중점에 의존하지 않고 보편 상수에만 의존하게 되었다. 재정의 이전에는 물의 삼중점이 정확한 값으로 간주되었고 볼츠만 상수가 측정값이었으나, 재정의 이후에는 볼츠만 상수가 정확한 값이 되고 물의 삼중점 온도가 측정값(273.1600(1) K)으로 전환되었다.
단위 환산
켈빈과 다른 온도 척도 간의 환산 관계는 다음과 같다.
- 섭씨: °C = K − 273.15
- 화씨: °F = K × 1.8 − 459.67
- 란씨(랭킨): °Ra = K × 1.8
- 열씨: °Ré = (K − 273.15) × 0.8
실제 응용
켈빈은 과학 및 공학 분야에서 널리 사용된다. 특히 열역학, 물리학, 화학 분야에서 온도 계산의 표준 단위로 쓰인다.
켈빈은 광원의 색온도 측정 단위로도 사용된다. 색온도는 흑체 복사체가 자신의 온도 특성에 따른 빈도 분포를 갖는 빛을 방출한다는 원리에 기반한다. 예를 들어 약 4000 K 이하의 흑체는 붉은빛을 띠고, 약 7500 K 이상의 흑체는 푸른빛을 띤다. 사진 및 영상 분야에서 "주광"(daylight) 필름과 일치시키기 위해서는 약 5600 K의 색온도가 필요하다. 천문학에서는 별의 표면 온도(유효 온도)를 켈빈으로 표기하며, 태양의 광구 유효 온도는 5772 K로 알려져 있다.
전자공학에서는 켈빈이 회로의 잡음 정도를 나타내는 잡음 온도의 단위로 사용된다. 저항기의 존슨-나이퀴스트 잡음은 볼츠만 상수에서 도출된 열 잡음의 한 유형이다.
플라즈마 물리학 분야에서는 온도를 에너지 단위인 전자볼트(eV)로 나타내는 경우가 있으며, 1 eV/k ≈ 11604.5 K의 환산 관계가 성립한다.
저온 물리학에서는 밀리켈빈(mK), 마이크로켈빈(μK), 나노켈빈(nK)이 사용되며, 천체물리학에서는 메가켈빈(MK), 기가켈빈(GK)이 사용된다.
표기 관례
SI 관례에 따라 켈빈은 "도"로 언급되거나 표기되지 않는다. 단위 기호 K는 사람의 이름에서 유래한 단위 기호를 대문자로 쓰는 SI 관례에 따라 대문자로 표기한다. 영어에서 단위로 사용될 때 "kelvin"은 소문자로 쓰는 것이 관례이나, 켈빈 남작을 가리키거나 켈빈 척도를 가리킬 때는 대문자 Kelvin으로 쓰는 관례가 있다.
유니코드 문자
켈빈 기호에는 유니코드 대응 문자 포인트 U+212A(KELVIN SIGN)가 존재하나, 유니코드 표준은 호환 목적의 이 문자 대신 일반 대문자 K(U+004B)를 사용할 것을 권고한다.
관련 파생 단위
켈빈에서 파생된 특별한 이름을 가진 SI 유도 단위로는 섭씨 온도가 유일하다. 그 외에 켈빈을 포함하는 유도 단위로는 열전도율(W/(m·K)), 엔트로피(J/K), 비열용량(J/(kg·K)) 등이 있다.
