この項目では、一般的な温度について説明しています。より厳密に規定された温度については「熱力学温度 」をご覧ください。
温度 （ おんど 、（ 英 : temperature ）とは、温冷の度合いを表す指標である。
二つの物体の温度の高低は温度的な接触 [疑問点 – ノート (thermal[ 1] エネルギー が移動する方向によって定義される。すなわち温度とはエネルギーが自然に移動していく方向を示す指標であるといえる。標準的には、接触によりエネルギーが流出する側の温度が高く、エネルギーが流入する側の温度が低いように定められる。接触させてもエネルギーの移動が起こらない場合は二つの物体の温度が等しい。この状態を温度平衡（熱平衡）と呼ぶ。
マクスウエルは、気体の温度は分子 の乱雑な並進運動エネルギ―の平均値のみによって決まる。ただし、液体または固体状態にある物体に対する同様な結果は現在のところ確立されるに至っていないと述べていた[ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7]
統計力学 によれば、温度は物質 を構成する分子 の乱雑な並進運動エネルギー の平均値として、五十嵐が導出した様に求めることができる。この様にして求めた温度は、熱力学温度と一致する。
熱力学温度 の零点 （0ケルビン ）は絶対零度 と呼ばれ、分子の乱雑な並進運動が停止する状態に相当する。ただし絶対零度は極限的な状態であり、有限の操作で物質が絶対零度となることはない。また、量子力学的 な不確定性 があるため、絶対零度になっても分子の運動は止まることはない。しかし、このときの分子の運動は乱雑な並進運動ではない。このときの分子の運動は、量子力学的ゼロ点振動(ゼロ点運動)と呼ばれ、乱雑な運動ではないので、エントロピーには寄与しないので、絶対零度ではエントロピーはゼロであり、分子の乱雑な並進運動も停止しゼロとなる。温度は物質 を構成する分子 の乱雑な並進運動エネルギーの平均値 だからである。
温度は、化学反応 において強い影響力を持つ。また、生物 にはそれぞれ至適温度 があり、ごく狭い範囲の温度の環境下でしか生存できない。化学 や生物学 における観察 や実験 では、基礎的な条件として温度を記録する必要があり、あるいは温度を調整することが実験を成立させる重要な条件となる。また、生物学や医学において組織や検体を冷蔵 するのは、温度を下げることで化学変化の速度を抑える意味がある。
動力学理論では、ケルビン温度は、温度(熱）平衡状態における、1 自由度当たりの運動エネルギーの平均値に関連づけられる。
エネルギー等配分の法則 （equipartition theorem）によると、系の個々の自由度あたりの運動エネルギーは k B T /2T k B 3k B T /2 なるエネルギーを持つ。
例えば気体状態の酸素分子 (O2 ) は、並進に加えて回転（2自由度）と振動（1自由度）を持つ。それぞれの1自由度あたりの運動エネルギーは、 k B T /25k B T /2 となる。また、高い温度領域では調和振動子と近似される振動のモードとなり、運動エネルギーおよびそれとほぼ等しいポテンシャルエネルギーが加わるので、分子一個当たりの全エネルギーは 7k B T /2 となる。並進、回転、振動などの各モードはこのような一定の制約のもとに等配分され、その（地下水位のような）統一尺度が温度と言えるが、ポテンシャルや周期性の観点から、最も制約の少ないのが気体の並進エネルギーである。
固体の温度エネルギーは、デバイ温度 より高い温度領域では原子1個あたり、 6k B T /2 で近似される（デュロン＝プティの法則 ）が、これも、原子の 1 個が3自由度の調和振動子を構成するからである。
エネルギー等配分の法則は、混合気体における異種気体粒子相互においても成り立つのみならず、こうしたことは結果であって、実は、この結果に近づける均等化作用が存在すると考えられる。この均等化作用が物体中の空間的不均一に対して働く結果は熱伝導と言えるが、同じ空間を占めていても、（例えば透明な）物質と輻射場とが、異なる温度を長時間保持するケースは考えられ、この場合は、それぞれの温度を分けて考えるべきである（輻射の温度は、そもそも常識的に定義できない場合もある）。
温度は統計的な実体なので、空間的、時間的に、やや広い計測範囲が必要であり、気体であれば、その粒子が複数回衝突する時間や空間が必要である。例えば気体の並進、回転、振動といった運動のモードは、このような時空の範囲では十分に（先に述べた制約のもとに）均等化すると考えられる。しかし、マクスウエルが指摘している様に分子の回転、振動といった運動のモードは温度に依存して励起されるが、温度には寄与しないことに留意する必要がある[ 2]
歴史上様々な温度の定義があったが、現在の国際量体系 における基本量 に位置付けられる熱力学温度 の定義は、温度(熱）平衡状態 における系の内部エネルギーU を、体積を一定に保ってエントロピー S で偏微分したものである。
(T =∂ U /∂ S )v 。現時点で、非平衡状態での温度やエントロピーの定義は、本来の意味で定義できないこともあり、途上段階である。
温度は非常に計りにくい物理量の一つである。温度は統計値であるから、低密度な物体や非常に狭い範囲を対象に計測するなど、分子数が少ない場合には統計的に値が安定せず意味が無くなること、非常に大量の分子の運動状態を一個一個観測することは現在の技術では不可能であり代わりに間接計測を行っていることに起因している。
温度を計測する方法としては、計測対象となる物体から放射される電磁波を計測する方法や、長い時間をかけて計測プローブを計測対象となる物体に接触させ温度(熱)平衡状態にさせてから計る方法がある。どちらの方法も、何らかの計測上の問題を抱えている。しかし、近年の高速温度測定装置では､対象物の大きさ数十マイクロメートル、測定時間は数ミリ秒程度で測定可能となっており、物理現象を捉える一つの手段としての有効性が向上してきている。
物体の寒暖の度合いを定量的に表そうという試みを初めて行ったのは異説はあるがガリレオ・ガリレイ であると考えられている。ガリレイは空気の熱膨張 の性質を利用して物体の温度を計測できる装置、すなわち温度計 を作成した。ガリレイの作った温度計は気圧などの影響を受けてしまうために実際に温度を定量的に表すには及ばなかったが、このように物質の温度による性質の変化を利用して、寒暖の度合いを定量的に表そうという試みは以後も続けられた。初めて目盛付き温度計により数値によって温度を表現しようとしたのはオーレ・レーマー である。レーマーは水の沸点を60度、水の融点を7.5度とする温度目盛を作成した。温度目盛を作成するにはこのように2点の定義定点が必要となる。多くの独自の温度目盛りが作成されたが、現在では日常的にはアンデルス・セルシウス によって作成された摂氏 温度目盛、ガブリエル・ファーレンハイト によって作成された華氏 温度目盛が主に使用されている。
かつては温度と熱 の概念の区別が明確にされていなかった。温度と熱の違いに初めて気が付いたのはジョゼフ・ブラック であると考えられている。ブラックは氷が融解 している最中は熱を吸収しても温度が変化しないことを発見した（潜熱 ）。また温度の違う同質量の水銀と水を混ぜる実験を行い、それぞれ水と水銀の温度変化にある定数を掛けた量が常に等しくなることを発見した。これは熱容量 の概念であり、温度変化に乗ずる定数が熱容量に相当し、常に等しくなる量は移動する熱量である。これらの実験により温度と熱が異なる概念であることが確立された。
その後、19世紀に入ると効率の良い熱機関の開発の要請から熱力学の構築が進んでいった。ニコラ・レオナール・サディ・カルノー は熱機関の効率には熱源と冷媒の間の温度差によって決まる上限があることを発見した。このことから熱力学第二法則 についての研究が進んでいった。熱力学第二法則によれば外部から仕事 がなされない限り、熱エネルギーは温度の高い物体から温度の低い物体にしか移動しない。
ウィリアム・トムソン はカルノーサイクル で熱源と冷媒に出入りする熱エネルギーから温度目盛が構築できることを示した。これを熱力学温度 目盛という。熱力学温度においては1つの定義定点はカルノーサイクルの効率が1となる温度であり、これは摂氏温度目盛で表せば−273.15 °Cである。熱力学第二法則によれば、この温度に到達するには無限の仕事が必要となり、それより低い温度は存在しない。そのため、この温度を絶対零度 ともいう。熱力温度目盛ではこの絶対零度を原点(0 K )としている。温度の下限の存在はトムソン以前にシャルルの法則 から、あらゆる気体の体積が0となる温度として考えられていた。
原子、分子レベルにおける温度の意味については、ジェームズ・クラーク・マクスウェル の気体分子運動論によって初めて明らかとなった。気体分子の並進運動の速度分布はマクスウェル分布 に従い、この分布関数の形状は温度 に依存している。特に気体分子の並進運動エネルギーの平均値は3/2 kT （k:ボルツマン定数 、T:熱力学温度）となり、温度に比例する。すなわち温度は分子の並進運動の激しさを表す数値でもある。このためプラズマ 中のイオンや電子の持つ平均運動エネルギーを温度で表現することがある(プラズマ 中のイオンや電子は並進運動の自由度しか持たないからである）。この時は通常平均運動エネルギー = kTとなる温度Tによって表現する。
ルートヴィッヒ・ボルツマン はこのマクスウェルの考え方を発展させ統計熱力学 を構築した。統計熱力学では、あらゆる形態のエネルギーにこの考え方が拡張されている。温度が高いほど高いエネルギーを持つ原子や分子の割合が大きくなり、原子や分子の持つ平均エネルギーの大きさも増加する。このように統計熱力学において温度は分子 の並進運動エネルギー分布の仕方を表す指標である。
量子論 が確立してくると、古典的な統計熱力学は量子統計 の近似であることが明らかとなった。古典論においては0 Kにおいてあらゆる粒子は運動を停止した最低エネルギー状態をとることになるが、量子論においては粒子は0 Kにおいても零点エネルギーを持ち静止状態とはならない。この物理現象 は零点振動 と呼ばれている。また、ボース粒子 のエネルギー分布はボース・アインシュタイン分布 、フェルミ粒子 のエネルギー分布はフェルミ・ディラック分布 となる。フェルミ粒子においてはパウリの排他原理 により、絶対零度においても古典論では数万 Kにも相当するような大きなエネルギーを持つ粒子が存在するが、これは、エネルギーを上式のkTに代入して温度と見なしたことによるもので、真の温度を示しているのではないことに留意することが大切である。したがって、温度が分子 の並進運動エネルギー分布の仕方を表す指標であることは古典統計と変わっていない。
温度の単位の比較
ケルビン セルシウス度 ファーレンハイト度 ランキン度 ドリール度 ニュートン度 レオミュール度 レーマー度
絶対零度 0
−273.15
−459.67
0
559.725
−90.14
−218.52
−135.90
地球 表面の最低気温 （※1）183.95
−89.2
−128.56
331.11
283.8
−29.436
−71.36
−39.33
ファーレンハイト の寒剤 255.37
−17.78
0
459.67
176.67
−5.87
−14.22
−1.83
水 の融点 （標準状態 下）273.15
0
32
491.67
150
0
0
7.5
地球表面の平均気温
288
15
59
518.67
127.5
4.95
12
15.375
人間 の平均体温 309.95
36.8
98.24
557.91
94.8
12.144
29.44
26.82
地球表面の最高気温（※2）
329.85
56.7
134.06
593.73
64.95
18.711
45.36
37.268
水の沸点 （標準状態下）
373.15
100
212
671.67
0
33
80
60
チタン の融点1941
1668
3034
3494
−2352
550
1334
883
太陽 の表面温度5800
5526
9980
10440
−8140
1823
4421
2909
国際単位系 においては温度には熱力学温度を使用し、単位としてケルビンを使用することになっている。しかし熱力学温度は理想化された系の性質から定義される温度であるから、実際に計測することは容易ではない。そこで熱力学温度と実用上一致し、測定しやすい温度として国際温度目盛 （こくさいおんどめもり、ITS、International Temperature Scale）が定められている。現在使用されている温度目盛は1990年に定められたものでITS-90 と呼ばれている。国際温度目盛はある領域の温度を定義する計測器とそれを校正するための定義定点からなる[ 8]
0.65 K – 5.0 K : ヘリウムの蒸気圧 と温度の関係式によって定義される。
3.0 K – 24.5561 K : 定義定点で校正されたヘリウム3またはヘリウム4の定積気体温度計 によって定義される。
13.8033 K – 1234.93 K : 定義定点で校正された白金抵抗温度計 によって定義される。
1234.93 K – : プランクの放射則 に基づいて、定義定点で校正された放射温度計 によって定義される。
ヘリウム の蒸気圧点: 3 K – 5 K での値を校正に使用平衡水素（オルト水素とパラ水素 が平衡にある水素）の三重点 : 13.8033 K
平衡水素の蒸気圧点: 17.025 K – 17.045 K と 20.26 K – 20.28 K の値が定義されている
ヘリウム気体温度計の示度: 16.9 K – 17.1 K と 20.2 K – 20.4 K の値を校正に使用
ネオン の三重点: 24.5561 K酸素 の三重点: 54.3584 Kアルゴン の三重点: 83.8058 K水銀 の三重点: 234.3156 K水の三重点 : 273.16 K （熱力学温度目盛のもう一つの定義定点）ガリウム の標準気圧下(101 325 Pa)の融解点: 302.9146 Kインジウム の標準気圧下の凝固点: 429.7485 Kスズ の標準気圧下の凝固点: 505.078 Kᐸ亜鉛 の標準気圧下の凝固点: 692.677 Kアルミニウム の標準気圧下の凝固点: 933.473 K銀 の標準気圧下の凝固点: 1234.93 K金 の標準気圧下の凝固点: 1337.33 K銅 の標準気圧下の凝固点: 1357.77 K
測定方法には物体に直接触れて測る接触式と、触らずに測る非接触式がある。
接触式は、膨張式と電気式、計数式等があり、膨張式は、気圧温度計 や蒸気圧温度計 など温度変化による気体の圧力変化を測るものや、水銀温度計 のような液体の長さを測るもの、固体の変形を測るバイメタル 式がある。電気式は、温度によって抵抗率が変わる原理を利用した白金抵抗温度計 や熱電対 など金属線を用いるもの、サーミスタ やダイオード など半導体 を用いるものがある。温度変化を共振周波数変化として計測できる水晶温度計 は計数式に分類され、この他にもサーモペイント や液晶 も接触して温度変化を測定できる。
非接触式は、検出波長によって2種類に分かれる。ひとつは、約2–5 μmの短波長の赤外線 を検出波長帯とする量子型。もうひとつは、約8–14 μmの長波長の赤外線 を検出波長帯とする熱型。それぞれの検出波長帯は、大気による赤外線 の減衰が小さい波長帯にあたり、量子型は検出素子にInSb（インジウムアンチモン ）、InAs（ヒ化インジウム ）などを使い、熱型はマイクロボロメータ を使っている。非接触式の温度計としては代表的なものとして、赤外線 サーモグラフィ がある。
ヒト が感じる温度は、気温だけでは決まらず、風 や湿度 、周囲の物体の熱放射 にも影響を受ける。これらを勘案し定量的に表した温度を体感温度 という。
温度差 （おんどさ）は、文字通り二つの物質 における温度の違いのその量 の差 であるが、1990年 代初め頃から[要出典 日本 では一つの物事や案件に対して複数の関係者間での熱意、考え方や思惑などの違い、価値観 の違いの比喩 として「温度差」と表現することがある。[ 9]
^ Riedi, P.C. (1989-01-01). Thermal Physics: An introduction to thermodynamics, statistical mechanics, and kinetic theory (2nd Edition ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0198519928 ^ a b 湯川秀樹、井上健 編「J.C. Maxwell『気体の分子論を主とした最近の分子科学の概説』」『世界の名著 65』中央公論社〈現代の科学 Ⅰ〉、1973年9月10日、1231–1239頁。ISBN 978-4124001457 。
^ 五十嵐, 靖則 (2014-09). “⟨(1/2)mv tr 2 ⟩ = (3/2)kT の関係式は液体や固体についても成立するか？ ― 温度測定の原理の考察から ―”. 日本物理学会講演概要集 (日本物理学会) 69 (2): 240. ^ 五十嵐, 靖則 (2017-03). “相互作用のある多原子分子集団における速度分布について ― 温度の分子論的意味 ―”. 日本物理学会講演概要集 (日本物理学会 化学物理分科会) 72 (1). ^ 原島, 鮮『基礎物理学Ⅰ 力学・相対論・熱学』（初版）学術図書、1967年3月、309-310頁。 ^ 五十嵐, 靖則 (2011-03). “温度とは何か －温度の分子論的意味－”. 日本物理学会講演概要集 (日本物理学会) 66 (1): 443. ^ 五十嵐, 靖則 (2013-03). “温度概念の分子論的構造と検証実験”. 日本物理学会講演概要集 (日本物理学会) 68 (1（２分冊）): 470. ^ 計量研究所「1990年国際温度目盛 (ITS-90)〔日本語訳〕」1991年10月 (PDF ) ^ 温度差 、三省堂 デイリー 新語辞典
