Termometry gazowe i skala Kelvina

Definicja temperatury w kontekście ruchu molekularnego sugeruje, że powinna istnieć najniższa możliwa temperatura, w której średnia energia kinetyczna cząsteczek wynosi zero (lub minimum dozwolone przez mechanikę kwantową). Doświadczenia potwierdzają istnienie takiej temperatury, zwanej zerem absolutnym. Absolutna skala temperatury to taka, której punkt zerowy jest zerem absolutnym. Takie skale są wygodne w nauce, ponieważ kilka wielkości fizycznych, takich jak objętość gazu doskonałego, jest bezpośrednio powiązanych z temperaturą bezwzględną.

Skala Kelvina to bezwzględna skala temperatury powszechnie stosowana w nauce.

Skala Kelvina jest częścią układu jednostek SI, więc jej rzeczywista definicja jest bardziej skomplikowana niż podana powyżej. Po pierwsze, nie definiuje się go w kategoriach temperatur zamarzania i wrzenia wody, ale w kategoriach punktu potrójnego. Punkt potrójny to unikalna kombinacja temperatury i ciśnienia, w której lód, woda w stanie ciekłym i para wodna mogą stabilnie współistnieć. Temperaturę punktu potrójnego definiuje się jako 273,16 K. Definicja ta ma tę zaletę, że chociaż temperatura zamarzania i temperatura wrzenia wody zależą od ciśnienia, istnieje tylko jedna temperatura punktu potrójnego.

Nawet przy dobrze określonych punktach skali różne termometry dają nieco inne wyniki dla innych temperatur. Dlatego wymagany jest standardowy termometr. Metrologowie wybrali do tego celu termometr gazowy o stałej objętości. Naczynie o stałej objętości wypełnione gazem poddawane jest zmianom temperatury, a zmierzona temperatura jest proporcjonalna do zmiany ciśnienia. Wyniki zależą w pewnym stopniu od wyboru gazu, ale im mniej gęsty jest gaz w bańce, tym lepiej zgadzają się wyniki dla różnych gazów. Jeśli wyniki ekstrapoluje się na gęstość zerową, wyniki są całkiem dobre, przy zerowym ciśnieniu odpowiadającym temperaturze zera absolutnego. Termometry gazowe o stałej objętości są duże i powoli osiągają równowagę, dlatego stosuje się je głównie jako wzorce do kalibracji innych termometrów.