[include(틀:다른 뜻1, from=켈빈, other1=다른 의미, rd1=켈빈(동음이의어))]
[include(틀:기본 SI 단위)]
[include(틀:온도체계)]

[목차]
== 개요 ==
'''절대온도'''([[絶]][[對]][[溫]][[度]])는 물질의 특이성에 의존하지 않고 눈금을 정의한 온도로, [[온도]]의 [[국제단위계|SI 단위]]이다. 단위는 켈빈(Kelvin, [[K|[math(\rm K)]]])으로, 반드시 대문자로 써야 하며 다른 온도 단위와 다르게 정의에 두 기준점을 필요로 하지 않기 때문에 [math(\degree)] 표시를 붙이지 않는다([[온도]] 문서 참조). 단위의 명칭은 이를 연구한 [[제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨|켈빈 남작]]에서 따왔다. [[이상 기체]]의 [[엔트로피]] [math(S)]와 [[엔탈피]] [math(H)]가 모두 최저점이 된 상태를 [math(\rm0\,K)]으로 정의[* 기체의 [[내부 에너지]] 때문에 [[샤를의 법칙]]에 입각한 부피-온도 관계보다 이렇게 에너지의 관점에서 [math(\rm0\,K)]을 논하는 것이 더 명확하다. 또한 실제 기체는 온도가 낮아지면 상전이로 인해 반드시 기체 상태를 벗어나게 되므로 에너지(준위)를 기준으로 판단하는 것이 실험상으로도 현실적이다.]하지만 [[불확정성 원리]] 및 이를 바탕으로 유도된 [[열역학 제3법칙]]에 의해 '''[math(\bf0\,K)]을 구현하는 것은 불가능'''하다.[* 즉 [math(\rm0\,K)]이란 건 이상적인 이론에 입각하여 수학적으로 계산된 극한일 뿐 자연계에서는 구현할 수 없다. 이론적으로 [math(\rm0\,K)]이 되면 내부 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 되어 원자의 열진동마저 정지하는데 이렇게 되면 원자의 위치와 운동량을 모두 정확하게 측정할 수 있게 되고, 이는 [[불확정성 원리]]에 위배되기 때문에 구현이 불가능하다. 현실적으로도 아주 가장 낮은 에너지 상태에 있는 원자는 영점진동(zero-point motion)에 의한 극히 작은 에너지를 가진다는 것이 알려져 있다.][* 반면 인공적으로 만들어낸 최고온도는 2012년 [[LHC|거대강입자 가속기]]에서 5.5조K 이다.] [[섭씨|[math(\rm0\,\degree\!C)]]]는 [math(\rm273.15\,K)]에 해당한다. 온도의 간격은 [[섭씨]]와 같기 때문에, 절대온도의 상대온도 수치는 [[섭씨]]의 상대온도 수치와 같다.

== 역사 ==
켈빈 경이 1848년, 정의하는 데에 특정 물질이나 두 기준점이 필요한 섭씨나 화씨[* 섭씨와 화씨에 [math(\degree)](도)라는 기호가 붙는 이유도 여기에 있다. 각도 단위로서의 [math(\degree)] 역시 어떤 기준점(시점)과 [math(1)]회전한 종점, 두 지점의 차이의 [math(360)]등분을 [math(1\degree)]로 정의하기 때문에 [math(\degree)]라는 단위가 쓰이는 것이다.] 말고 어떤 기준에 따라 변하지 않는 절대적인 온도 기준을 세우자고 제안해서 나온 단위가 절대온도로, 당시엔 [[샤를의 법칙]]에서 [[외삽]]으로 추정되는 영점, 즉 [math(\rm0\,K \equiv -273.15\,\degree\!C)][* 고전역학적으로 [math(\rm0\,K)]는 열이 전혀 없기 때문에 이보다 더 낮은 온도는 있을 수 없다.] 외에 조건이 없는 애매한 상태였다. 절대온도의 개념이 막 수립되기 시작한 이 당시에는 섭씨의 온도 간격을 유지하면서 [math(0)]도의 기준만 바꿨기 때문에 엄밀하게 따지면 당시에는 기호로도 [math(\rm\degree\!K)](켈빈도)를 사용하여 1968년까지 [math(\rm0\,\degree\!K \equiv -273.15\,\degree\!C)]로 나타냈었다.

그러다가 1954년 프랑스 파리에서 열린 국제도량형총회(CGPM, Conférence Générale des Poids et Mesures)[* 영어로는 General Conference on Weights and Measures이므로 GCWM이라는 약칭도 쓰이긴 한다.]의 [[https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/10-1954/resolution-3|제10차 회의 세 번째 결의안]]에서 물의 [[삼중점]]이 [math(\rm273.16\,\degree\!K)]이고 온도 간격은 이것의 [math(\dfrac1{273.16})]이라 하는 것으로 온도를 재정의하였고 [[https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/13-1967/resolution-3|1967년 제13차 회의 세 번째 결의안]]에서는 이름과 표기를 '켈빈도(degree kelvin; [math(\rm\degree\!K)])'에서 '켈빈(kelvin; [math(\rm K)])'으로 변경하기로 합의하였다.

2005년에 들어서 물의 삼중점이 [[동위원소]]의 비율에 따라 달라진다는 문제점이 국제도량형위원회(CIMP, Comité International des Poids et Mesures)[* 상기 국제도량형총회에서 결의된 사안을 대집행하는 기관으로 CGPM의 이사 기관으로 봐도 무방하다. 영어로는 International Committee for Weights and Measures이므로 ICWM이라는 약칭도 쓰인다.]에서 제기되어 [[빈 표준 평균 바닷물]](VSMOW, Vienna Standard Mean Ocean Water)[* 애초에 [[내륙국]]인 [[오스트리아]]에서 바닷물을 퍼오는 것 조차가 불가능한데다 [[증류]]를 통해 [[소금]]을 비롯한 [[염]]을 제거한 순수한 물이어서 [[이름과 실제가 다른 것|진짜 바닷물도 아니지만]], [[IAEA]]의 본부가 위치한 빈에서 열린 회의에서 결정한 것이므로 [[빈(오스트리아)|빈]]의 이름을 붙이고, 바다에서 퍼올렸다는 의미로 '''[[바닷물]]'''이라는 명칭이 쓰인 것일 뿐이다.]의 동위원소 비율을 기준으로 삼기로 결론을 내렸으나 이 동위원소 비율도 시간에 따라 일정하지 않은 문제가 여전히 남아있었다.

결국 [[https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1|2018년 11월 16일, 국제도량형총회(CGPM)의 제26차 회의 첫 번째 결의안]]에서 [[볼츠만 상수]]라는 [[물리 상수]]를 이용하여 아래와 같이 재정의하고 2019년 5월 20일부터 적용하는 것을 만장일치로 합의했다.[* 대한민국의 국가표준기본법 시행령 별표의 정의 또한 같은 날짜로 해당 정의로 개정되었다.]
> 켈빈(기호: [math(\rm K)])은 열역학적 온도의 [[국제단위계|SI 단위]]이다. 그 크기는 볼츠만 상수([math(k_{\rm B})])의 값을 단위 [math(\rm  J\,K^{-1} = kg\,m^2s^{-2}\,K^{-1})]으로 표현할 때 정확히 [math(1.380\,649\times10^{-23})]으로 고정시킴으로써 정해진다.
> ----
> [[http://journal.kspe.or.kr/archive/paper_file_download.kin?no=814|한국정밀공학회지 제 35권 제4호 pp. 400]]

== 다른 단위와의 관계 ==
[[차원(물리량)|차원]]이 [math(\sf \Theta)]인 기본 단위로, 다른 온도 체계도 이를 따른다.
아래 온도 환산식에서 [math(T_{\rm X})]는 [math(\rm X)]를 단위로 하는 온도를 나타내는 물리량 기호이고, [math(\dfrac{T_{\rm X}}{\rm X})]는 각 온도 체계에서 단위를 뗀 수치를 의미한다. 뉴턴도 이하의 온도 체계에 관해서는 [[온도]] 문서 참조.
||<|2> '''단위''' ||<-2> '''환산식''' ||
|| [math(T_{\rm X} \to T_{\rm K})] || [math(T_{\rm K} \to T_{\rm X})] ||
|| '''셀시우스도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C} + 273.15)] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!C}}{\rm\degree\!C} = \dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15)] ||
|| '''파렌하이트도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac59{\left(\dfrac{T_{\rm\degree\!F}}{\rm\degree\!F} + 459.67\right)})] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!F}}{\rm\degree\!F} = \dfrac95\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 459.67)] ||
|| '''뉴턴도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{100}{33}\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} + 273.15)] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!N}}{\rm\degree\!N} = \dfrac{33}{100}{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)})] ||
|| '''뢰머도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac{40}{21}{\left(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\text\o}}{\rm\degree\!R\text\o} - 7.5\right)} + 273.15)] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\text\o}}{\rm\degree\!R\text\o} = \dfrac{21}{40}{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)} + 7.5)] ||
|| '''레오뮈르도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = \dfrac54\dfrac{T_{\rm\degree\!R\acute e}}{\rm\degree\!R\acute e} + 273.15)] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!R\acute e}}{\rm\degree\!R\acute e} = \dfrac45{\left(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} - 273.15\right)})] ||
|| '''들릴도''' || [math(\dfrac{T_{\rm K}}{\rm K} = 373.15 - \dfrac23\dfrac{T_{\rm\degree\!D}}{\rm\degree\!D})] || [math(\dfrac{T_{\rm\degree\!D}}{\rm\degree\!D} = \dfrac32{\left(373.15 - \dfrac{T_{\rm K}}{\rm K}\right)})] ||
|| '''랭킨도''' || [math(1\,{\rm\degree\!R} = \dfrac59\,{\rm K})] || [math(1\,{\rm K} = \dfrac95\,{\rm\degree\!R})] ||

== 과학에서의 사용 ==
온도의 표준 단위이므로 온도 값을 요구하는 대부분의 계산에서는 켈빈온도를 쓴다. 상기 환산식에서 알 수 있듯이 섭씨온도의 수치에 [math(273.15)]를 더하면 켈빈온도의 수치가 된다. 물리나 화학에서 유독 [math(\rm27\,\degree\!C)]가 많이 보이는 이유는 [[상온#s-1.1|상온]] 상태를 가정할 수 있으면서도 절대온도로 약 [math(\rm300\,K)]가 되어 계산이 편해지기 때문이다.

고전역학에서 [math(\rm0\,K)]은 물질이 가진 에너지가 전혀 없는 상태를 뜻하기 때문에 [math(\rm0\,K)]보다 작은 온도는 있을 수 없다는 것이 맞았지만, 양자역학의 태동 이후 [math(\rm0\,K)] 그 자체도 [[불확정성 원리]]에 위배됨에 따라 '''자연계에서 존재할 수 없음'''이 밝혀졌으며, 최저점의 에너지가 [math(\rm0\,J)]이 아님이 드러났는데 바닥 상태의 이런 에너지를 영점에너지(zero point energy)라고 한다. 위치에너지가 [math(\rm0\,J)]이라 하더라도 불확정성 원리에 따라 운동에너지를 [math(\rm0\,J)]에 맞출 수 없고, 이에 따라 [[양자 조화 진동자]]는 최저점에서 [math(\dfrac12\hbar\omega)](단, [math(\hbar)]는 [[디랙 상수]])만큼 에너지가 있다.

빛이 거의 닿지 않는 오지에 위치한 행성의 최저 온도도 [math(\rm12\,K)][* 관측된 태양계 소행성 중에 가장 멀리서 발견된 [[세드나]]의 표면온도가 [math(\rm-261\,\degree\!C)]라고 알려져 있다.] 아래가 드물고, 심지어 항성의 빛이 미치지 못하는 공간의 온도조차 [math(\rm3\,K)][* [[우주 배경 복사]]의 온도이기도 하다.], 즉 영하 270도 정도고 심지어 [[부메랑 성운]]과 같이 항성이 죽어가면서 사실상 빛이 닿지 않는 데다 바람까지 세게 부는, 그야말로 온도 내려갈 조건이 갖춰질 대로 갖춰진 지역조차도 [math(\rm1\,K)]이 한계다. 당연히 태양계 같이 항성의 열이 미치는 곳의 온도는 훨씬 더 높다.

다만 핵자의 스핀계처럼 통계역학적으로 준위의 수가 사실상 유한한 계(예: 극저온으로 냉각된 고체 [math(\rm LiF)] 속의 [math(\rm F)]핵)에서는 엔트로피에 '최댓값'이라는 것이 존재하기 때문에 [[열역학 제3법칙]]을 우회하여 이론상 '절대영도 미만([math(T<0\rm\,K)])일 때 입자가 거동하는 상태'를 구현할 수는 있다. [math(T = \dfrac{{\rm d}Q}{{\rm d}S})]이므로 일반적인 계는 에너지/열을 받을수록([math({\rm d}Q>0\rm\,J)]) 엔트로피가 올라가므로([math({\rm d}S>0\rm\,J/K)]) 마이너스 켈빈이 될 수 없지만, 엔트로피에 상한이 있는 고립계에선 최대한 받을 수 있는 열 또는 열용량의 한계가 있고, 이 이상으로 에너지/열을 받으면 엔트로피가 오히려 내려간다. '''이후 무조건적으로 에너지를 주는 상태'''가 된다. '에너지를 주는 상태'란 곧 열용량이 음의 값을 취한 것과 같은 상태이므로 절대온도가 마이너스가 된 것과도 같다. [[절대영도]] 문서도 참조. 통계역학적인 해석으로는 엔트로피 [math(S)]가 [math(S = k_{\rm B}\ln\Omega)]로 정의되므로 꽤 예전부터 이론적으로 예견되어있던 현상이다.

[[2013년]] [[1월 3일]] [[사이언스]]지에 양자 기체를 이용해 절대영도보다 낮은 온도 상태를 실험적으로 구현했다는 연구가 실렸는데([[https://www.science.org/doi/10.1126/science.1227831|운동자유도 관점의 음의 절대온도]]), [[http://blog.naver.com/jjy0501/100175681500|여기]]에서 해설된 것처럼, 이 '현상'을 '음의 온도'라는 직관적인 말로 표현한 것일 뿐, 수치로 측정해보면 여전히 절대영도보다는 따뜻한 온도([[역온도#의의]] 문서 참조)이며 우리가 아는 '마이너스 켈빈은 존재할 수 없다'는 법칙이 깨진 것은 아니다. '만약 마이너스 켈빈이 존재한다면 입자는 어떻게 거동할 것인가'라는 이론에 입각하여, 입자가 거동하는 현상으로부터 유추된 결론일 뿐이다.[* 이는 [[국제단위계]]에서 '시간'을 정의하는 방법에서도 잘 드러나는데, '절대영도의 세슘-133 원자'라고 표현하지 않고 굳이 '섭동이 없는 바닥 상태의 세슘-133 원자'라고 복잡하게 표현한다. 앞서 언급한대로 절대영도는 자연계에서 구현할 수 없으며 고전역학적으로 [math(\rm0\,J)]이라고 직관적으로 표현했을 때의 특징이, 최저점의 에너지 준위(바닥상태)에서 흑체 복사 등 외부의 영향을 받지 않는(섭동이 없는) 상태이기 때문이다.]

== 일상에서 ==
일상에서는 [[섭씨]]와 [[화씨]]에 밀려 거의 안 쓰인다. 일상적인 과학현상에서 정의된 것이 아니기 때문이다. 또한 실생활에서 켈빈 단위를 사용하기에는 숫자가 지나치게 커진다는 문제가 있다.

특정 온도에서의 [[엔트로피]], [[에너지]], [[흑체복사]]의 정도 등을 정확하게 계산하고, 자연현상을 이해하기 위해 '자연의 기준'인 절대온도를 사용하는 [[과학자]]들과는 달리, 일반인들은 이런 계산을 할 필요가 없고, '얼마나 차가운가?' 또는 '얼마나 뜨거운가?'만이 중요할 뿐이다. 심지어 학술 문헌이라도 일반인 독자를 상정하고 쓰였다면 열역학적 온도를 [math(\rm K)] 대신 [math(\rm\degree\!C)] 단위로 표기하는 경우도 볼 수 있다. 특히 핵융합/핵폭발 시의 온도처럼 100만 단위 정도 이상의 큰 수치에서는 두 단위의 수치 차이 [math(273.15)]가 무시해도 될 수준의 오차이기 때문에 수치에 큰 변경 없이 단위만 [math(\rm K)]에서 [math(\rm\degree\!C)]로 치환한 경우도 꽤 흔하다.

예를 들어보자.
||블라디미르는 기온이 [math(\rm-20\,\degree\!C)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm25\,\degree\!C)]로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm150\,\degree\!C)]로 가열했다.||

위 문장에서 [math(\rm\degree\!C)]를 [math(\rm K)]으로 바꾸면 다음과 같이 된다. 원래는 .15도 써야 하나, 비교의 편의성을 위해 소수점 이하의 .15는 생략한다.

||[[세르게이]]는 기온이 [math(\rm253\,K)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm298\,K)]으로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm423\,K)]으로 가열했다.||

창 밖이 얼마나 추운지, 방이 얼마나 따뜻한지, 기름이 얼마나 뜨거운지 도저히 감이 안 잡힐 정도로 숫자가 지나치게 커진다.

반면 화씨로 바꾸면 다음과 같다.
||[[찰스|철수]]는 기온이 [math(\rm-4\,\degree\!F)]인 어느 추운 겨울 날, 보일러를 작동시켜 방의 온도를 [math(\rm77\,\degree\!F)]로 조정했고, 돈까스를 튀기기 위해 기름을 [math(\rm302\,\degree\!F)]로 가열했다.||
조리용 기름 온도에서 켈빈과 유사할 만큼 큰 숫자가 나오지만, 실생활에서 접할 수 있는 기온이 대체로 [math(\rm0\,\degree\!F\sim100\,\degree\!F)] 범위(섭씨로 환산하면 [math(\rm-17.8\,\degree\!C\sim37.8\,\degree\!C)])에 있어 '조리 온도가 매우 뜨겁다'는 인식을 명확하게 나타낼 수 있다.

저온으로 갈수록 켈빈 온도가 편리하게 쓰이지만, 일반인이 [math(\rm-100\,\degree\!C)] 이하의 저온 물질을 다룰 일은 거의 없다. 일상에서 접할 수 있는 가장 차가운 물질인 [[드라이아이스]]조차 [math(\rm-100\,\degree\!C)]에 못 미친다. 그나마 [[액체 질소]]가 있기는 한데, 이조차도 일반인은 취급할 일이 거의 없다. 일반인이 액체 질소를 사용한다면 극단적인 [[오버클럭]]을 하거나 [[분자요리]]를 할 때 정도가 고작이다. 차가운 물질을 주로 다루거나, 온도를 이용한 계산을 하는 게 아니라면 켈빈 온도는 일상에서 쓰일 일이 거의 없다. 일부 과학자들 등은 절대적인 온도 비교를 위해 일상의 단위도 켈빈 온도로 바꾸자고 주장하기도 하는데, 워낙 비현실적인 말이라 실현성이 없다.

[[디스플레이]], [[영상]], [[사진]]술 등지에서는 색온도의 단위로 절대온도가 쓰인다. [[흑체복사#빈 변위 법칙|빈 변위 법칙(Wiensches Verschiebungsgesetz)]]에 기반해 광원의 색을 이 켈빈으로 표기한 것이며, [[태양광]]이 표준으로 [math(\rm5000\,K\sim6000\,K)] 정도이다. 이보다 수치가 낮으면 [[오줌액정|색이 노랗게]], 수치가 높으면 [[블루라이트|파랗게]] 된다.
== 관련 문서 ==
 * [[온도]]

[[분류:SI 단위]][[분류:온도]]