温度とは？定義・測定法と単位（摂氏・華氏・ケルビン）

温度の定義から測定法、単位（摂氏・華氏・ケルビン）の違いまで、日常と科学で使える基礎知識を図解でわかりやすく解説。

著者: Leandro Alegsa

温度とは、物がどれだけ熱いか・冷たいかを表す尺度です。私たちの体は熱さや冷たさの差を感じ取れますが、より正確に測定するには、温度計などの器具を使います。温度計は目盛りによって物体の熱的な状態を数値で表し、多くの国では摂氏（℃）が日常的に使われています。アメリカなど一部の国や地域では華氏（°F）が使われることがありますが、科学者たちは主にケルビン（K）を用いて温度を扱います。

温度の物理的定義

科学的には、温度は物質中の粒子（ここでは主に分子や原子）の平均的な運動状態を示す物理量です。固体や液体では粒子は平衡位置の周りで振動し、気体では粒子が自由に飛び回り衝突を繰り返します。温度が高いほど粒子の平均的な運動エネルギーは大きくなります（理想気体の場合、平均運動エネルギーはおおむね温度に比例し、式で表すと E_avg = (3/2) k_B T となります）。気体では温度、圧力、体積が密接に関連し、理想気体法則 PV = nRT が成り立ちます（条件による）。

主な温度単位と換算

  • 摂氏（Celsius, ℃）：日常で最も広く使われる尺度。水の融点を0℃、沸点を100℃（1気圧）と定めることから理解しやすい。
  • 華氏（Fahrenheit, °F）：主に米国で使われる尺度。摂氏との換算は次の式で行います。
    °F = (°C × 9/5) + 32、逆に °C = (°F − 32) × 5/9。
  • ケルビン（Kelvin, K）：熱力学温度の国際単位（SI基本単位）。絶対ゼロ（物質の運動が理論上最小になる点）を0 Kとする尺度で、摂氏との関係は K = °C + 273.15 。絶対零度は −273.15 ℃（＝ 0 K、＝ −459.67 °F）です。

温度の測定法（主な方式）

温度計には多様な原理と用途があります。代表的なもの：

  • 液柱式温度計（ガラス温度計）：液体（かつては水銀、現在はアルコールなど）膨張を利用。視認性が良く簡便だが、破損や有害物質の問題がある。
  • 熱電対（Thermocouple）：異種金属の接合部に生じる起電力を測定する方式。耐熱性が高く応答が速い。産業用途で広く使われる。
  • 抵抗温度計（RTD、例：PT100）：金属の電気抵抗が温度で変化する性質を利用。精度と再現性が高く、研究・工業で多用される。
  • サーミスター：半導体素子の抵抗変化を利用。小型・高感度だが線形性は限定的。
  • 非接触式（赤外線）温度計：放射される赤外線を検出して表面温度を算出。接触できない対象や高速測定に便利だが、放射率の影響を受ける。
  • 双金属式温度計・液体膨張式ゲージ：機械的に温度変化を指示に変換する簡便な方式。暖房設備や家庭用器具で見られる。

測定で注意する点

  • 校正：温度計は基準点（例：氷点、沸点、三重点）で定期的に校正することで精度を保てます。計測機器は経年変化や取り扱いでずれが生じます。
  • 接触 vs 非接触：接触式は内部温度測定に優れる一方、非接触式は表面温度や危険な対象に適します。用途に合わせて選ぶ必要があります。
  • 応答時間：小さなセンサーは速く追従しますが、温度の急変を計測する場合は応答性を確認してください。
  • 放射率と環境条件：赤外線測定は対象の放射率、周囲温度、風などの影響を受けます。適切な補正が必要です。

実用的な目安と歴史的背景

いくつかの基準となる温度の例：

  • 水の氷点：0 ℃（1気圧）
  • 水の沸点：100 ℃（1気圧）
  • 人体の平均体温：約36.5–37.0 ℃（個人差あり）
  • 絶対零度：−273.15 ℃ = 0 K

温度尺度の歴史的由来：摂氏はAnders Celsius、華氏はDaniel Gabriel Fahrenheit、ケルビンはWilliam Thomson（Lord Kelvin）に由来します。現代の高精度計測では国際温度尺度（例：ITS-90）に基づく標準化が行われています。

まとめ

温度は身近な概念であると同時に、物理学・化学・工学における基本的な量です。日常では摂氏、地域によっては華氏を使いますが、科学的な議論や高精度測定ではケルビンが基準になります。適切な測定器と校正を用いれば、温度は非常に正確に捉えられ、多くの現象の理解や制御に役立ちます。

有用な温度

温度計が発明されたとき、科学者たちは、常に同じ温度のものがあることを発見しました。

  • 水が凍る温度は0℃（32°F）、つまり273.15Kです。
  • 人間の体の中の温度は37℃に近い。
  • 水の沸騰温度は100℃（212°F、373.15K）。
  • 最も寒い温度は絶対零度です。絶対零度は0K、-459°F、-273.15°Cです。絶対零度では、分子や原子は静止しているため、熱エネルギーを持たない。

温度と熱

温度と熱は同じではありません。熱とは、あるものから別のものに移動して冷却し、別のものから加熱するエネルギーである。温度は、物の中の分子の動き（振動）を表すものです。温度が高いものは、分子の平均速度が速いことを意味します。温度が高くても、原子の数が非常に少なかったり、軽かったりするため、熱をほとんど持たないものもあります。

熱容量

ある物質を1度高くするために必要な熱量を熱容量といいます。物質によって熱容量は異なります。例えば、1キログラムの水は1キログラムの鉄よりも熱容量が大きい。つまり、水の温度を1℃高くするためには、鉄の温度を1℃高くするために必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になります。

天気予報

気象や気候においても温度は重要です。温度は、空気中の熱エネルギーの量に関係します。等温線図は、ある地域での温度の違いを示すのに使われます。温度は、一日のうちの異なる時間帯、異なる季節、異なる場所で異なります。気温は、太陽の光からどれだけの熱がその場所に届くか（日射量）、その場所が海面からどれだけの高さにあるか、風や海流の動きによってどれだけの熱がその場所にもたらされるかによって影響を受けます。

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質問と回答

Q:温度とは何ですか?


A:温度とは、何かがどれくらい熱いか冷たいかを表します。

Q:温度を正確に測るにはどうしたらいいのでしょうか?


A:温度をより正確に測定するには、温度計を使用することができます。

Q:世界のほとんどの国では、気温を記録するのにどのような尺度を使用していますか?


A:世界のほとんどは摂氏を使用しており、「摂氏」と呼ばれることもあります。

Q:どの国で華氏がより多く使われていますか?


A:アメリカやその他の国々では、華氏がよく使われています。

Q:科学者は温度を測るのにどんな尺度を使うことが多いですか?


A:科学者は、温度を測定するためにケルビンを使用することがほとんどです。

Q:物質の中で分子はどのように動くのですか?


A:科学的には、温度は、分子が物質内部でどれだけ速く移動しているかを表す物理量です。固体や液体では、分子は物質内の定点のまわりで振動していますが、気体では分子は自由に飛行しており、互いにぶつかりながら移動しているのです。

Q:気体の温度、圧力、体積に関係する物理法則はあるのでしょうか?


A:はい、気体の温度、圧力、体積は密接に関係しているという物理法則があります。


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