K posuzování neuspořádaného pohybu částic, který se označuje jako tepelný pohyb, používáme veličinu nazvanou teplota. Při vyšší teplotě je střední rychlost částic větší než při nižší teplotě.
Měření teploty je založeno na poznatku, že měřené těleso i teploměr jsou po určité době v tepelné rovnováze, tj. že se už nemění fyzikální parametry dané soustavy a obě tělesa mají stejnou teplotu. Fyzikálním parametrem může být změna délky kovové tyče, změna objemu kapaliny, změna tlaku plynu za stálého objemu, změna elektrického odporu vodiče apod. Je jen málo fyzikálních veličin, které by se při ohřívání nebo ochlazování neměnily.
Lidské tělo dokáže vnímat různé teploty. Dotykem dokážeme rozlišit, zda jsou tělesa studená nebo teplá. Porovnání teplot na základě našich pocitů je velmi nepřesné. Přesvědčit se o tom můžeme, když jednu ruku ponoříme do studené vody, druhou ruku do vody teplé a pak obě do vlažné vody. Každá ruka bude vysílat jiné pocity o teplotě vody.
Joseph Gay-Lussac.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Při určování teploty proto raději používáme spolehlivější přístroj, který se nazývá teploměr. Jako základní teploměrný přístroj se používá plynový teploměr, protože podle zjištění Jacquese A. C. Charlese a Josepha Gay–Lussaca se plyny roztahují při stejných teplotách přibližně stejně. Během celého měření teploty musí být plyn pod konstantním tlakem. Nejprve naměříme objem plynu při teplotě tání ledu a při teplotě varu vody. Rozdíl objemů rozdělíme na sto dílků, tzn. že změně objemu plynu o
odpovídá změna teploty o 1°. Plynový teploměr udává objem V při teplotě t
Jednoznačně je teplotě přiřazen objem. Tento vztah můžeme psát i ve tvaru zákona Gay–Lussacova
Při zvyšování objemu poroste i teplota, teoreticky neomezeně. Jestliže se bude teplota snižovat, pak molekuly ideálního plynu nebudou mít žádný objem (V = 0) a nebudou na sebe působit silami, pak
Po dosazení za V0 a V100 získáme vždy hodnotu –273 °C, přesněji –273,15 °C. Nižší teploty tedy nemohou existovat, protože by odpovídaly zápornému objemu.
Bylo zjištěno, že některé fyzikální vlastnosti se v blízkosti této teploty stávají nulovými, je to např. měrné teplo, elektrický odpor vodičů, teplotní roztažnost apod. Podle Maxe Plancka můžeme tento zákon definovat takto: Čistou pevnou látku nelze konečným pochodem ochladit na nulovou Kelvinovu teplotu. V blízkosti nulové hodnoty Kelvinovy stupnice dochází k zastavení tepelného pohybu molekul. V roce 1906 definoval tento zákon Walter Nernst takto: entropie chemicky homogenní látky je při absolutní nule nulová. Tento zákon se nazývá třetí termodynamický.
Nejmrazivější prostředí ve vesmíru bylo naměřeno v nitru mlhoviny Bumerang s teplotou jednoho stupně kelvina. Nejnižší teploty v laboratoři bylo dosaženo v roce 1994 v coloradském National Institute for Standards and Technology, kde ochladili atomy cesia laserem na teplotu 700 miliardtin kelvinu. V roce 2003 fyzici z Massachusetts Institute of Technology dosáhli teploty 0,5 miliardtiny kelvina. Ve skutečnosti nelze absolutní nuly nikdy dosáhnout. Každý teploměr, kterým bychom měřili, by látku okamžitě ohřál. Při tak nízkých teplotách je vzorek ovlivňován supravodivými, kvantovými a jinými efekty.
V roce 1887 zvolilo Comité international des Poids et Mesures vodíkový teploměr stálého objemu jako zařízení pro měření teploty. Tento teploměr sestrojil Pierre Chappuis. Podle plynového teploměru jsou pak cejchovány všechny ostatní teploměry (lihové, rtuťové apod.). Plynové teploměry se nedají použít pro měření teplot pod 0,7 K (plyny kapalní) a nad 600 °C (plyny pronikají sklem). Stejným způsobem bychom mohli použít třeba rtuť nebo měrný elektrický odpor apod., ale rozsah měřených teplot by byl daleko menší. Princip odvození teplotní stupnice je podobný jako v předchozí úvaze. Při teplotě bodu mrazu vody má tlak p0 = 1000 mm Hg (rtuťového sloupce) a při teplotě bodu varu vody p100 = 1366,18 mm Hg. Jednomu stupni termodynamické teploty odpovídá vztah
Tlak vodíku za počátečního tlaku p0 je
závislost je tedy lineární (zákon Charlesův) s koeficientem rozpínavosti
Ve vztahu byl tlak v jednotkách rtuťového sloupce nahrazen hydrostatickým tlakem rtuti, za předpokladu, že hustota rtuti se s teplotou nemění. Tento koeficient je pro všechny plyny stejný.
Pro různé měřené teploty se používají různé teploměry. Můžeme je rozdělit např. na objemové (kapalinové, plynové, bimetalové), elektrické (odporové, termistory, termočlánky), optické (pyrometry) nebo teploměry využívající změny skupenství apod. Rtuťovým teploměrem můžeme měřit teploty v rozsahu –30 °C a 300 °C, protože rtuť mrzne při –39 °C a naopak při 357 °C vře. Pro měření teplot vyšších než 300 °C se používají např. teploměry se rtutí, nad kterou je dusík, který brání vypařování rtuti. Takto upravený teploměr lze použít na měření teplot do 700 °C. Plynový teploměr využívá k měření teploty závislost tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu, popř. závislost objemu plynu na teplotě při stálém tlaku. Bimetalový teploměr využívá k měření teploty bimetalový (dvojkovový) pásek složený ze dvou kovů s různými teplotními součiniteli délkové roztažnosti. Při změně teploty se pásek ohýbá a tento pohyb se přenáší na ručku přístroje. Odporové teploměry určují teplotu ze změny elektrického odporu kovů nebo polovodičů. Odporové teploměry s polovodičovým čidlem jsou tzv. termistory – jsou velmi citlivé, měří teplotu s přesností 10–3 K. Termočlánky jsou tvořeny dvěma různými kovy spojenými ve dvou bodech. Udržují–li se tyto spoje na různých teplotách, prochází měřícím přístrojem elektrický proud. Jeho velikost závisí na rozdílu teplot obou míst. Pyrometry jsou založeny na skutečnosti, že tělesa zahřátá na tutéž teplotu vydávají záření stejné barvy. Segerovy normální kužely – tělesa určitého složení, která při určité teplotě tají. Termograf je přístroj zaznamenávající graficky teplotu sledované soustavy jako funkci času.
Lihový teploměr.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Před vynálezem teploměru bylo teplo a zima považovány za odlišné jevy. Roger Bacon, velký středověký myslitel, napsal: „Podráždění okolní zimou množí teplo. Za tuhého mrazu hřeje krb víc. Stín ojedinělého stromu v poli je chladnější než stíny pod stromy v lese, ba za prudkého vedra prý člověka pod ojedinělým stromem přímo mrazí“. K textu však připojil poznámku o ověření teploměrem, který byl senzační novinkou. První teploměr využívající objemovou změnu vzduchu v Evropě navrhl na konci 16. století Galileo Galilei, ale teploměry založené na poznatku, že zahřátý plyn nebo kapalina zvětšují svůj objem, byly známy už ve starověké Alexandrii. Vzduchový teploměr o padesát let později zlepšil Otto von Guericke, lihový teploměr již se stupnicí pochází z roku 1665 od Christiana Huygense. Jako základní bod teplotu tajícího ledu navrhl Robert Hooke v roce 1691 a druhý základní bod teplotu vařící se vody navrhl Carlo Renaldini v roce 1694. Brzy se ukázalo, že teplota tání ledu může díky znečištění vody být značně rozdílná. Nejen mechanická znečištění, ale i různá koncentrace rozpuštěných solí tuto teplotu mění. Proto byla navržena za nulový bod teplota hlubokých sklepů, kde se dlouhodobě (i během staletí) neprojevuje znatelné kolísání teploty. Za horní pevné body se braly teploty rozpouštějícího se másla, zdravého lidského těla a varu vody. Po určení těchto dvou pevných teplot vyvstaly neshody, jak stupnici rozdělit. Podle holandského fyzika van Schwindena již roku 1778 existovalo 71 různých teploměrů s různým dělením stupnice. Teploměr založený na teplotní roztažnosti rtuti v zatavené trubici zkonstruoval Gabriel Fahrenheit roku 1714.
K ideálnímu řešení teploměru byly učiněny tři důležité kroky: Anglický lékař Daniel Rutherford roku 1805 objevil dusík a přišel s myšlenkou plnit jím teploměry a William Thompson (lord Kelvin) roku 1848 navrhl používat tlaku plynu (nikoli objemu) k určování teplot. Navíc navrhl posunout počátek teplotní stupnice do tzv. absolutní nuly, tj. na –273,15 °C = 0 K, kdy objem ideálního plynu by byl nulový. Rudolf Clausius na základě svých formulací základních vět termodynamiky definoval termodynamickou teplotu jako pojem nezávislý na jakékoli látce a Ludwig Boltzman dokázal vztah mezi Clausiovou termodynamickou teplotou a statistickou teplotou.
