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熱力学計測器とは、熱力学系を測定するためのあらゆる装置のことである。熱力学的パラメータや物理量を真に定義するためには、その測定方法を規定する必要がある。例えば、温度の究極的な定義は「温度計が示す値」である。では、温度計とは何か？という疑問が生じる。
熱力学計測器には、メーターとリザーバーの2種類があります。[ 1 ]熱力学メーターとは、熱力学システムのあらゆるパラメータを測定する装置のことです。熱力学リザーバーとは、試験システムと接触しても状態パラメータがほとんど変化しないほど大きなシステムのことです。[ 1 ]
一般的に、測定器と状態変数貯蔵器は互いに補完し合う2つのツールです。これら2種類の計測器は明確に区別されることが重要です。測定器が測定対象の状態変数の貯蔵器のように振る舞う場合、その機能は正確に果たされません。例えば、温度計が温度貯蔵器として機能すると、測定対象システムの温度が変化し、測定値が不正確になります。理想的な測定器は、測定対象システムの状態変数に何の影響も与えません。
メーターとは、その熱力学的状態の何らかの側面を観測者に示す熱力学的システムである。測定対象システムとの接触の性質は制御可能であり、測定対象システムの状態に著しい影響を与えないほど十分に小さい。以下に説明する理論的な温度計は、まさにそのようなメーターである。
場合によっては、熱力学的パラメータは理想化された測定機器の観点から定義されます。たとえば、熱力学の第零法則は、2 つの物体が第 3 の物体と熱平衡状態にある場合、それらの物体同士も熱平衡状態にあると述べています。[ 2 ] 1872 年にジェームズ・マクスウェルが指摘したこの原理は、温度を測定することが可能であると主張しています。理想化された温度計は、一定圧力の理想気体のサンプルです。
理想気体の法則によれば、このような試料の体積は温度の指標として用いることができ、このようにして温度を定義することができる。圧力は機械的に定義されるが、一定温度に保たれた理想気体の試料から気圧計と呼ばれる圧力測定装置を構築することもできる。熱量計は、系の内部エネルギーを測定し定義するために使用される装置である。
一般的な熱力学計には以下のようなものがあります。
リザーバーとは、通常、制御対象システムに自らを「押し付ける」ことによって、システムの状態を制御する熱力学的システムです。つまり、システムとの接触の性質を制御できるということです。リザーバーは非常に大きいため、その熱力学的状態は、制御対象システムの状態にほとんど影響を受けません。以下の理論温度計の説明における「大気圧」という用語は、本質的には、温度計に大気圧を課す「圧力リザーバー」を意味します。
一般的な貯水池には以下のようなものがあります。
体積、面積、質量、力を理解し測定できるほど力学を十分に理解していると仮定しましょう。これらを組み合わせることで、単位面積あたりの力である圧力と、単位体積あたりの質量である密度という概念を理解できます。実験的に、十分に低い圧力と密度では、すべての気体は理想気体のように振る舞うことが確認されています。理想気体の挙動は、理想気体の法則によって表されます。
ここで、Pは圧力、Vは体積、Nは粒子数 (総質量を粒子あたりの質量で割った値)、kはボルツマン定数、Tは温度です。実際、この式は現象論的な式以上のもので、温度の操作的、つまり実験的な定義を与えます。温度計は温度を測定するツールです。原始的な温度計は、大気圧に対して膨張させた理想気体の小さな容器でした。温度を測定したいシステムと熱的に接触させ、平衡状態になるまで待ってから温度計の体積を測定すれば、T = PV / Nkを介して問題のシステムの温度を計算できます。温度計は、測定対象のシステムの温度を著しく変化させず、また温度計の膨張によって大気圧が影響を受けないほど十分に小さいことが望ましいです。
理想気体温度計は、より正確には、測定対象システムと熱的に接続されながらも、動的にも物質的にも絶縁された理想気体を含むシステムであると定義できる。同時に、外部の圧力リザーバーにも動的に接続されており、そこからは物質的にも熱的にも絶縁されている。他の温度計（例えば、水銀の体積を観測者に示す水銀温度計など）も、理想気体温度計を基準として製作し、校正することができる。
