温度の物理的性質と定義

温度（temperature）とは、物質の温冷の度合いを定量的に表す物理量であり、統計力学や熱力学において中心的な役割を果たす指標です。日常的な感覚としての「熱い」「冷たい」という概念を、物理学的な接触によるエネルギー移動の方向性として定義します。

熱平衡と温度の定義

二つの物体が接触した際、エネルギーが自然に移動する方向によって温度の高低が決定されます。エネルギーが流出する側の物体は温度が高く、流入する側の物体は温度が低いと定義されます。接触させてもエネルギーの移動が起こらない状態は熱平衡と呼ばれ、このとき二つの物体の温度は等しいとみなされます。

分子運動論的解釈

統計力学の観点では、温度は物質を構成する原子や分子の乱雑な並進運動エネルギーの平均値に関連付けられます。気体分子運動論において、絶対温度 T は、系の自由度あたりの運動エネルギーとボルツマン定数 k_B を用いて記述されます。単原子気体の場合、粒子の並進運動エネルギーの平均値は 3/2 k_BT となり、温度が分子の運動の激しさを反映していることを示しています。

温度測定の歴史

温度を定量的に測定する試みは、ガリレオ・ガリレイによる気体の熱膨張を利用した装置に遡ります。その後、オーレ・レーマーが目盛付きの温度計を考案し、現在ではアンデルス・セルシウスによる摂氏温度目盛や、ガブリエル・ファーレンハイトによる華氏温度目盛が広く利用されています。19世紀にはジョゼフ・ブラックが熱容量と潜熱の概念を確立し、温度と熱が異なる物理概念であることを明らかにしました。

熱力学温度と絶対零度

熱力学温度（絶対温度）は、熱力学第二法則に基づき、カルノーサイクルにおける効率から構築される温度目盛です。この目盛の原点である絶対零度（0ケルビン）は、分子の乱雑な並進運動が停止する極限状態を指します。量子力学的な不確定性により、絶対零度においても零点振動と呼ばれるエネルギー状態が存在しますが、これは乱雑な並進運動ではないため、エントロピーには寄与しません。