A hőmérséklet a testek hőállapotát leíró fizikai mennyiség, az SI-mértékegységrendszer hét alapmennyiségének egyike. Alapvető fogalom a fizikában, talán ezért nem is lehet egyszerűen megfogalmazni, mit értünk rajta. A hétköznapi élet hideg, meleg fogalmához kapcsolódva egy olyan állapotjelzőről van szó, amely hőtani szempontból az anyag egyik makroszkopikus tulajdonságát írja le. A hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék rendszertelen hőmozgásának következménye. Intenzív mennyiség, tehát két termikus egyensúlyban lévő rendszer egyesítésekor kiegyenlítődik. A hőmérséklet mélyebb értelmezése a kinetikus gázelmélet alapján történik.

Az Országos Meteorológiai Szolgálat honlapját böngészve érdekes észrevételt tehetünk. A 2000-es években eddig közel 60-szor dőlt meg a napi hidegrekord. Ebből is közel 80% egy Nógrád megyei kis falu, Zabar „nevéhez fűződik". A jelenség oka a falu jellegzetes mikroklímája. Derült, szélcsendes éjszakákon gyakran előfordul, hogy a sűrűbb hideg levegő megül a mélyen fekvő, hegyekkel körülzárt területen. Ezeket hívjuk fagyzugoknak. Fagyzugok kisebb területeken is kialakulhatnak, ezért egy településen belül is lehet olyan hely, amely sokkal hidegebb, mint a néhány utcával arrébb lévő másik. Az országban eddig a legalacsonyabb hőmérsékletet, -35 °C-ot Miskolcon mérték 1940-ben. Zabaron a hidegrekord -31,9 °C.

A kinetikus gázelmélet az ideális gáz molekuláris elmélete, amelyben a gáz makroszkopikus állapotjelzőit (nyomás, hőmérséklet) magyarázzuk a gáz mikroszkopikus tulajdonságainak segítségével. A kinetikus gázelmélet abból indul ki, hogy a gázt alkotó részecskék a gáztartály falával tökéletesen rugalmasan ütköznek, így arra erőt, illetve nyomást fejtenek ki. Ennek a p nyomásnak a nagysága,ahol N a részecskeszám, V a gáz térfogata, pedig a részecskék átlagos mozgási energiája.Összevetve az ideális gáz állapotegyenletével, arra jutunk, hogy

A hőmérséklet egyenesen arányos a gázrészecskék átlagos mozgási energiájával. Tehát alacsonyabb hőmérsékleten a részecskék sebessége kisebb, magasabb hőmérsékleten pedig nagyobb. Egy gázon belül a molekulák különböző sebességgel mozoghatnak, és ezek átlagos értéke határozza meg a gáz makroszkopikusan mérhető hőmérsékletét. Miután a hőmérséklet az átlagos mozgási energiával hozható kapcsolatba, egy részecske hőmérsékletéről nem lehet beszélni. A hőmérséklet az anyag egészére vonatkozó mennyiség.

A hőmérséklet mérése azon alapul, hogy hőmérséklet-változás hatására az anyagok megváltoztatják tulajdonságaikat, fizikai jellemzőiket. Ilyen tulajdonság például a szín, a térfogat, az elektromos ellenállás vagy a hőmérsékleti sugárzás spektrális összetétele.

Galilei-féle hőmérő

Gázhőmérők

Folyadékhőmérők

Pirométerek

Termoelem

Fémhőmérők és termisztorok

A hőmérséklet és mérése

A legismertebb hőmérőtípus a folyadékhőmérő, amely a folyadék hőtágulásának elvén alapul. A zárt tartályban táguló folyadék a tartályhoz kapcsolódó szűk csőben felkúszva, illetve lesüllyedve mutatja a hőmérséklet változását. Folyadékként régebben higanyt (-30 °C-tól 300 °C-ig), ma elsősorban alkoholt (-100 °C-tól 120 °C-ig) használnak.

Szintén a hőtáguláson alapul a gázhőmérő használata. Állandó nyomás és anyagmennyiség mellett a gáz térfogata és Kelvin-skálán mért térfogata egymással egyenesen arányos. A gázhőmérőket többnyire csak laboratóriumokban használják, velük nagyon alacsony hőmérséklet (-270 °C) is megmérhető.

Történeti érdekesség a Galilei-féle hőmérő, amely azt használja ki, hogy ha egy folyadék hőmérséklete nő, akkor a folyadék sűrűsége csökken. Ezért a folyadékban úszó test hőmérséklet-növekedés hatására a folyadék aljára süllyedhet. A Galilei-hőmérőről az aktuális hőmérséklet a felső részen úszó legalsó golyóról olvasható le.

A fémek és a félvezető anyagok ellenállása erősen függ a hőmérséklet értékétől. Az ellenállás értéke feszültség és áramerősség mérésével precízen meghatározható, így ez az eljárás igen pontos hőmérsékletmérést biztosít. A fémellenállás-hőmérőket általában nagy tisztaságú platinából készítik, és nagy hőmérséklet-tartományban ( 250 °C-tól 1000 °C-ig) alkalmazhatók. A félvezető anyagból készült hőmérsékletmérő eszköz neve termisztor. Anyagikat tekintve elsősorban nehézfém-oxidból készült kerámiák. Használatuk jellemző hőmérsékleti tartománya -50 °C-tól 150 °C-ig.

Hűtőkeveréket legegyszerűbben úgy állíthatunk elő, hogy finomra tört jeget vagy havat valamilyen szervetlen sóval összekeverünk. A keverék olvadáspontja - a sótartalomtól függően - 0 °C-nál alacsonyabb lesz. Azt a legalacsonyabb hőmérsékleti értéket, amelyet jól meghatározott arányú keveréssel el tudunk érni, eutektikus hőmérsékletnek nevezzük. 100 g jég esetén 33 g konyhasó adagolásával kb. -21 °C-ot, 200 g kalcium-kloriddal -42 °C-ot is el lehet érni.

Anders Celsius svéd fizikus és csillagász 1737-ben alkotta meg a Celsius-skálát, de csak 1742-ben mutatta be. Eredeti skáláján a két alappont fordított sorrendben volt, tehát a jég olvadáspontját választotta 100 °C-nak és a víz forráspontját 0 °C-nak. A skála ma használt alakját - Celsius halála után - Strömer svéd fizikus javaslatára vezették be 1750-ben.

A termoelem két különböző anyagú, egyik végüknél összeforrasztott drótdarabból áll. Ha az összeforrasztott pontot melegítjük, akkor a szabadon maradt két huzalvég között feszültséget mérhetünk. A feszültség értékéből következtethetünk a hőmérséklet értékére. Termoelemekkel széles tartományban (-200 °C-tól 1700 °C-ig) lehet hőmérsékletet mérni.

Az érintés nélküli hőmérsékletmérés a testek hőkibocsátása alapján lehetséges. Minden anyag minden hőmérsékleten bocsát ki magából elektromágneses hullámokat, amelynek intenzitáseloszlása függ az adott anyag hőmérsékletétől. Az olyan eszközöket, amelyek ezen az elven mérik a hőmérsékletet, pirométereknek nevezzük. A pirométereknek több fajtája van. Az infravörös hullámokra érzékeny hőmérővel vagy hőkamerával -30 °C-tól 500 °C-ig lehet mérni. Ezek kétféle elven működhetnek: vagy fotodióda segítségével a beeső foton energiáját közvetlenül alakítják át elektromos jelekké, vagy hődetektorok, amikor is a beérkező sugárzás először felmelegedést okoz, és a hőmérséklet-változás idéz elő feszültségváltozást a detektor kimenetei között. Az olyan berendezésekkel, amelyek a látható és az ultraibolya tartományban is érzékelnek, a hőmérsékletmérés egészen 3000 °C-ig kiterjeszthető.

A hőmérséklet számszerű jellemzésére hőmérsékleti skálákat használunk. Az első hőmérsékleti skálák a XVIII. század első felében kerültek bevezetésre. Mindegyik skála alapelve, hogy két jól definiálható alappontot tartalmaz, és a közöttük lévő tartományt azonos egységekre bontja. A világon legelterjedtebb skála a Celsius-féle skála (1742), amelynek két alappontja a jég olvadáspontja (0 °C) és a víz forráspontja (100 °C). Elsősorban az észak-amerikai kontinensen használják a Fahrenheit-skálát (1714), amelynél 0 °F Danzig (ma Gdansk) 1708. évi leghidegebb hőmérsékletének (más források szerint Fahrenheit által kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontjának) felel meg, míg a 100 °F (egyéb források szerint 96 °F) az emberi test normál hőmérsékleti értéke. A tudományos életben a Kelvin-féle hőmérsékleti skálát használják. A Lord Kelvin (William Thomson) által 1848-ban bevezetett skála úgy született meg, hogy a skálát - a hőtan II. főtétele alapján - anyagi minőségtől függetlenül lehetett bevezetni. Ezért ezt a hőmérsékleti skálát szokás abszolút hőmérsékleti skálának is nevezni. A Kelvin-skála egysége megegyezik a Celsius-skála egységével. Kelvin kimutatta, hogy a hőmérsékletnek létezik legkisebb értéke, amelynél alacsonyabb hőmérséklet nem létezik.0 K = -273, 15 °C.

Hőmérsékleti skálák összehasonlítása

Ez azt jelenti, hogy a Kelvin-skálán mért hőmérsékletek nem lehetnek negatív számadatúak. A termodinamika III. főtétele azt is kimondja, hogy a 0 K érték sem érhető el véges lépésben. A ma ismert legalacsonyabb hőmérséklet, amit a Földön előállítottak: 10-10 K (1999).Az animáción a három hőmérsékleti skálán mért értékek egymásba történő átváltási szabályát lehet tanulmányozni.

A csillagok felszíni hőmérsékletének mérése ( 2000 °C-tól 60000 °C-ig) szintén az általuk kibocsátott elektromágneses sugárzásnak az abszolút fekete test kibocsátási görbéjével való összehasonlítás után tehető meg.

A következő kísérlet-ben azt követhetjük nyomon, hogyan állít-hatta elő Fahrenheit a Fahrenheit-skála alappontjául szolgáló 0 °F hőmérsékletet.

A környezetüknél alacsonyabb hőmérséklet előállítására szolgáló berendezéseket hűtőgépeknek nevezzük.A hűtőgépek ciklikusan működő berendezések, amelyeknek közös tulajdonsága, hogy energiabefektetés árán az alacsonyabb hőmérsékletű hely felől a magasabb hőmérsékletű hely felé szállítják a hőmennyiséget. A hőtan II. főtétele szerint hő önként csak a melegebb hely felől a hidegebb felé áramolhat. Ahhoz, hogy ez megfordulhasson, a hűtőgép munkavégzésére van szükség. Attól függően, hogy ez a munkavégzés hogyan történik, többféle hűtőgép létezik. A háztartásokban leggyakrabban használt hűtőgéptípus a kompressziós hűtőgép.A kompressziós hűtőgépet a hűtőgép motorja működteti, amely két szelep közbeiktatásával a hűtőkör egyik oldalán növeli, a másik oldalán csökkenti a nyomást. A megnövekedett nyomású oldalon a hűtőközeg - amely tetrafluoretán, pentafluoretán és difluormetán különböző arányú keveréke - hőt ad le. Ez a hő a hűtőszekrény hátoldalán lévő csőkígyón át távozik a környezetbe. A nagy nyomású, összesűrített folyadék egy tágulási szelepen keresztül jut be az kisebb nyomású hűtendő térbe. A tágulási szelepen áthaladva a folyadék gyorsan elpárolog és erősen lehűl. A párolgáshoz szükséges hőt a hűtendő térből vonja el. Az elpárolgott hűtőközeg a hűtőkör másik oldalán visszajut a motorba.

Mivel a párolgás hőelvonással jár, a gyorsan párolgó anyagok a környezetüket lehűtik. Ez volt az alacsony hőmérséklet előállításának első módszere. Később megfigyelték, hogy a nagy nyomású gáz adiabatikus táguláskor erősen lehűl. Például a CO₂-patron kiszúrásakor kiszabaduló gáz a hirtelen tágulás következtében annyira lehűl, hogy a levegő páratartalma a patronra fagyhat. Ezzel a technikával olyan alacsony hőmérséklet érhető el, amely segítségével a levegő legfőbb alkotóelemei cseppfolyósíthatók. Ha valamilyen gőzt, amelynek hőmérséklete a kritikus hőmérséklet alatt van, egyre nagyobb nyomás alá helyezünk, akkor a gőz egy része egy idő után lecsapódik, és a folyadék feletti gőztér telítetté válik. Ha ebben a helyzetben eltávolítjuk a folyadék fölül a gőz egy részét, akkor a folyadék lehűl. Ezzel az eljárással ugyancsak hőmérséklet-csökkenést idézhetünk elő, és a korábban említett módszerekkel kombinálva az 1 K hőmérsékleti érték is elérhető.Ennél alacsonyabb hőmérsékletet adiabatikus lemágnesezéssel állíthatunk elő. A módszer lényege, hogy paramágneses anyagot erős mágneses mezőbe helyeznek. Ekkor az anyag mágneses dipólusai beállnak a mágneses indukció irányába és a közben keletkező hőt folyékony hélium segítségével elvonják. Ezután az anyagot elszigetelik a környezetétől, és megszüntetik a mágneses mezőt. Ennek hatására a dipólusok ismét rendezetlenebb állapotot vesznek fel, és az anyag lehűl. Adiabatikus lemágnesezéssel néhány mK hőmérséklet is elérhető.

A hőmérsékletnek alsó határt szab, hogy -273,15 °C értéken az részecskék mozgásából származó energia zérusra csökken, és csak a kvantummechanika által leírt nullponti energia marad meg. Ezt az energiát a részecske már nem képes leadni, ezért ennél alacsonyabb hőmérséklet nem létezik.Ugyanakkor mai tudásunk szerint semmi sem szab határt annak, hogy a hőmérséklet tetszőlegesen nagy értéket felvegyen. A legmagasabb hőmérsékletek a csillagok magjában találhatók. Ezeket megmérni természetesen nem lehet, elméleti számítások alapján következtethetünk rájuk.Amikor egy csillag magjában a hőmérséklet eléri a 10 millió K értéket, beindul a magfúzió, elsőként a proton-proton ciklus. Ezt a hőmérsékletet a Földön is elő tudjuk állítani a hidrogénbombában, illetve a fúziós reaktorban, de csak nagyon rövid ideig. A csillagok viszont több milliárd éven keresztül képesek ugyanezt fenntartani. A számítások szerint a Nap magjában kb. 15 millió K a hőmérséklet, és itt a proton-proton ciklus mellett már a CNO-ciklus is hozzájárul az energiatermeléshez. A hidrogénkészlet fogyásával a csillag összehúzódik, hőmérséklete nő. 100 millió K környékén indul be a 3α-folyamat, amikor 3α -részecske szénné fuzionál. A további fúziók, amelyek során oxigén, neon, magnézium, szilícium, vas jöhet létre, egyre magasabb hőmérsékletet kívánnak. A vas keletkezéséhez kb. 3,5 milliárd K hőmérsékletre van szükség. A szupernóvák belsejében akkora a hőmérséklet, hogy a vasatommagok disszociálni kezdenek, és a felszabaduló neutronok a megmaradó vasatomokból felépíthetik a periódusos rendszer vason túli elemeit is. Ekkor a hőmérséklet kb. 10 milliárd K nagyságú.

Egy csillag lakhatósági zónájának nevezzük azt a - csillagtól mért minimális és maximális távolság közötti - térrészt, ahol egy bolygó felszínén a víz folyékony halmazállapotban fordulhat elő. A lakhatósági zóna helye függ a csillag éppen aktuális fizikai paramétereitől (pl. a csillag hőmérséklete, összetétele, magreakciók fajtái), amelyek az idővel változhatnak, így a lakhatósági zóna helye sem állandó. A korábbi elképzelések szerint a Naprendszer esetében a lakhatósági zóna a 0,95-1,37 csillagászati egység tartományba esik, ám az újabb kutatások szerint ez a 0,99-1,7 csillagászati egység között található. Ez azt jelenti, hogy a Föld még éppen a zónán belül található. A számítások szerint a naptevékenység a lakhatósági zóna belső szélét évente kb. 1 m-rel tolja kifelé, ezért a Föld még kb. 1,75 milliárd évig tartózkodik a zónán belül. Ugyanakkor a zóna eltolódásával a Mars kerülhet be abba, így az emberiség számára a Mars nyújthat menedéket egy ideig a terjeszkedő Nappal szemben.