A escala Kelvin é definida em termos do ciclo de Carnot. O procedimento para estabelecer a temperatura Kelvin de um corpo qualquer (corpo de teste) é o seguinte.
Em primeiro lugar, escolhemos certo estado particular de um sistema de referência, para o qual arbitramos uma temperatura T0. Em geral, tomamos como sistema de referência uma amostra de água e como estado particular, o seu ponto triplo. O ponto triplo representa o estado em que coexistem, em equilíbrio, as três fases da água: líquida, sólida e de vapor. A pressão e a temperatura correspondentes são 4,58 mm-Hg e 0,01 oC, respectivamente. Então, para o ponto triplo da água, arbitramos a temperatura:
- T0 ≡ 273,16 K
Vamos supor, apenas para tornar a discussão mais concreta, que a temperatura T do corpo de teste, que queremos estabelecer, é maior do que T0. Então, na seqüência, tomamos o sistema de referência como reservatório térmico de baixa temperatura e o corpo de teste como reservatório térmico de alta temperatura e estabelecemos, entre eles, um ciclo de Carnot.
Usamos o termo reservatório térmico para significar um sistema auxiliar cuja temperatura permanece praticamente constante, mesmo recebendo ou cedendo energia como calor ou como trabalho. Na prática, significa um sistema constituído por uma amostra com alta capacidade térmica como, por exemplo, uma grande quantidade de água.
Tomar o sistema de referência como reservatório térmico de baixa temperatura e o corpo de teste como reservatório térmico de alta temperatura para estabelecer, entre eles, um ciclo de Carnot, significa, em outras palavras, que as trocas de energia envolvidas na operação do ciclo de Carnot não mudam apreciavelmente as temperaturas do sistema de referência e do corpo de teste. Com isso, podemos continuar falando nas suas temperaturas como sendo T0 e T, respectivamente.
Qualquer substância pode ser usada como substância de operação deste ciclo de Carnot.
Então, medimos a quantidade de energia Q1 que a substância de operação perde, por calor, para o sistema de referência e a quantidade de energia Q2 que a substância de operação recebe, por calor, do corpo de teste e tomamos, por definição, a temperatura do corpo de teste com sendo:
T = (− Q2/Q1)T0
A escala de temperatura definida desta maneira é uma escala absoluta porque não depende de qualquer característica de qualquer substância em particular, já que a substância de operação do ciclo de Carnot pode ser qualquer substância.
Por outro lado, medidas de temperatura se reduzem a medidas calorimétricas.
Além disso, lembrando que, para o ciclo de Carnot tendo uma amostra de gás ideal como substância de operação, vale a relação:
T2/T1 = − Q2/Q1
que é a mesma usada para definir a escala Kelvin, é evidente que a escala termométrica de gás ideal, definida pelo termômetro de gás a volume constante, é idêntica à escala Kelvin.
Com a definição dada acima para a escala Kelvin, esta última expressão passa a valer não apenas para o ciclo de Carnot com gás ideal como substância de operação, mas também para um ciclo de Carnot com qualquer substância como substância de operação.