- 상위항목 : 온도
온도의 SI 단위. 단위는 켈빈(K)으로, 반드시 대문자로 써야 하며 다른 온도 단위와 다르게 ˚ 표시를 붙이지 않으므로 주의할 것. 유래는 이를 연구한 켈빈 남작에서 따왔다. 물의 삼중점의 온도를 273.16K로 하고 이상 기체의 부피가 0이 되는 온도(절대영도)를 0K로 하여 정의한다. 하지만 실제로는 부피가 0이 되어 소멸하기 전에 기체가 액체나 고체로 상태변화 하므로 샤를의 기체법칙을 적용할 수 없어 0이 되어 사라지지는 않는다. 섭씨 0도는 273.15K에 해당한다. 상대온도의 단위로는 섭씨도와 같다.
애초에 켈빈 경이 1848년에 섭씨나 화씨말고 절대적인 온도 기준을 세우자고 제안해서 생긴게 절대온도로 이 때는 샤를의 법칙에서 유도되는 절대영도=0K=-273℃외에 조건이 없는 애매한 상태였다. 또한 이 글에서도 말하지만 1968년 이전에는 K 대신 °K가 쓰이고 있었다.
그러다가 1954년의 국제 도량형 총회(CGPM, Conférence générale des poids et mesures)[1]에서 물의 삼중점을 273.16°K으로 정의하였고[2]1967~1968년의 총회에서는 이름과 표기를 '켈빈도(degree kelvin)'와 '°K'에서 '켈빈(kelvin)'과 'K'로 바꾸었다. [3]그러나 절대영도 탓인지 K를 °K라 쓰는 경우는 거의 없는 반면 열역학적 온도를 켈빈 대신 도 라고 표기하는 경우는 가끔 보인다.
2005년에 들어서 물의 삼중점이 동위원소의 비율에 따라 달라진다는 문제점이 국제 도량형 위원회(CIMP, The Comité International des Poids et Mesures)[4]에서 제기되어 빈 표준 평균 바닷물(VSMOW, Vienna Standard Mean Ocean Water)의 동위원소 비율을 기준으로 하는 것으로 결론이 났다.
온도의 표준 단위이므로 온도 값을 요구하는 대부분의 계산에서는 켈빈온도를 쓴다. 가끔 섭씨온도를 요구하는 경우도 있지만 켈빈온도에 익숙해지면 더 헷갈린다 섭씨온도에 273(정밀한 계산이 요구된다면 273.15)을 더하면 켈빈온도가 된다. 화학에서 유독 27℃가 많이 보이는 이유는 300K가 되어서 계산이 편해지기 때문. 단 대학 와서 계산기 쓰기 시작하면 얄짤없다
고전역학의 이론적 배경에서는 0K은 가진 에너지가 전혀 없는 상태를 뜻하기 때문에 0K 아래의 온도는 있을 수 없다는 것이 맞았지만, 양자역학이 발달한 이후 0K 상태에서도 에너지가 존재한다는 것이 알려졌으며, 바닥 상태의 이런 에너지를 영점에너지(zero point energy)라고 한다. 위치에너지가 0이라고 할지라도 불확정성 원리에 따라 운동에너지를 0에 맞출 수 없고, 이에 따라 조화진동자는 (1/2)h[5]만큼의 에너지를 가진다.
빛이 거의 닿지 않는 수준의 오지에 위치한 행성의 최저 온도도 12K[6] 아래가 드물고, 심지어 항성의 빛이 미치지 못하는 공간의 온도조차 3K. 즉 영하 270도 정도고 심지어 부메랑 성운과 같이 항성이 죽어가면서 사실상 빛이 닿지 않는데다 바람까지 세게 부는, 그야말로 온도 내려갈 조건이 갖춰질 대로 갖춰진 지역조차도 1K가 한계다. 당연히 태양계 같이 항성의 열이 미치는 곳의 온도는 더 높다. 다만 준위의 수가 실질적으로 유한하게 된 계(예: 극저온으로 냉각된 고체 LiF 속의 F핵)에서는 열역학 3법칙을 우회하여 절대영도 이하의 온도(T<0)를 가지게 할 수 있다. 보통의 시스템은 에너지/열을 받을수록 엔트로피가 올라가므로 마이너스 켈빈이 될 수는 없지만 특수한 시스템에선 최대한 받을 수 있는 열 또는 열용량의 한계가 있으며, 이 이상으로 에너지/열을 받으면 엔트로피가 오히려 내려간다. 이후 무조건적으로 에너지를 주는 상태가 된다. 이 시스템의 현재 열용량은 마이너스가 되므로, 온도는 무한을 넘어 마이너스가 된다는 개념이다. 절대영도 항목을 같이 참조.
2013년 1월 3일 네이처지에 양자 가스를 이용해 절대영도보다 낮은 온도를 만들었다는 연구가 실렸다(Quantum gas goes below absolute zero). 단여기에 따르면 이 현상을 음의 온도라는 말로 표현하는 것일 뿐, 이는 여전히 절대영도보다는 따뜻한 온도이며 우리가 아는 절대 온도의 법칙이 깨진 것은 아니라고. 보통은 입자들이 낮은 에너지 준위를 선호하는데 이 경우는 반대로 높은 에너지 분포를 가지고 있기 때문에 음의 온도라고 '부를 수 있다'는 것이라고 한다.