絶対温度（熱力学温度）：ケルビンとランキンによる定義と用途

定義と尺度

一般に用いられる主要な絶対温度尺度は、ケルビン尺度とランキン尺度の二つである。ケルビン尺度はほとんどの科学的文脈で用いられ、絶対零度を0 Kと定める。摂氏とケルビンは加法的なオフセットのみが異なり、T(K) = t(°C) + 273.15で表される。ランキン尺度は華氏に対応する絶対温度尺度であり、T(R) = T(°F) + 459.67である。絶対零度という語自体は温度尺度の下限を指す。絶対零度を参照。

物理的意味

古典的には、温度は物質を構成する粒子の平均運動エネルギーと相関し、温度が下がるほど分子運動は小さくなる。この関係は統計力学においてボルツマン定数や、平均並進運動エネルギーが温度に比例するという表式によって定式化される。微視的な運動の背景については、分子および運動エネルギーを参照。実用的な温度測定では、絶対温度尺度を定義するため歴史的に気体温度計が用いられた。

起源と理論的限界

特定の物質に依存しない温度の尺度を科学者が求めるなかで、絶対温度尺度の考え方は19世紀に生まれた。ケルビン卿はケルビン尺度の普及に寄与し、ランキン尺度はW. J. M. ランキンによって導入された。熱力学は重要な制限も定めている。第三法則は、有限回の過程では絶対零度に到達できないことを意味し、絶対零度は実際には到達不能な極限である。そのため、生物も測定装置も真の絶対零度では存在または機能できない。一般的な注記については電子機器を参照。

用途と重要性

• 基礎物理学・化学：絶対温度は理想気体の状態方程式、統計力学、反応速度論に現れる。
• 極低温科学・低温研究：科学者は量子状態、超伝導、超流動を研究するため、ミリケルビンまたはマイクロケルビンの領域に日常的に近づく。
• 天体物理学・宇宙論：背景放射と星間物質の温度はケルビンで報告される。
• 工学計算：熱力学の式では、比例関係と正しい単位を確保するため絶対温度を使用する。

主な区別と事実

絶対温度は、固定された物理的限界から測定されるスカラー量である。熱力学および気体運動論の多くの法則は絶対温度尺度での温度を必要とするため、摂氏または華氏を換算せずに用いると誤った結果を生じうる。実用上の留意点として、宇宙マイクロ波背景放射の温度は数ケルビンであり、実験室の技術では1ケルビン未満に到達できるものの真の0 Kには至らない。また、気体温度計などの歴史的な温度計は、初期の経験的関係の確立に役立った。簡潔な相互参照として、ケルビン、温度、ならびに熱的挙動における物体と分子の役割を参照。