熱力学的温度

熱力学的温度（絶対温度とも呼ばれる）は、粒子が熱運動をほとんど起こさない点である絶対零度を基準として温度を測定する物理量である。

熱力学的温度は通常、ケルビン目盛で表され、その測定単位はケルビン（単位記号：K）です。この単位は摂氏目盛で使用される摂氏度と同じ間隔ですが、ケルビン目盛の0 Kが絶対零度に対応するように目盛がオフセットされています 。比較のために、295 Kの温度は 21.85  °Cおよび71.33  °Fに相当します。もう1つの絶対温度目盛は、華氏度間隔に基づくランキン目盛です。

歴史的に、熱力学的温度はケルビン卿によって、熱力学で定義される巨視的な量である熱力学的仕事と熱伝達の関係に基づいて定義されていましたが、2019年に国際的な合意により、原子、分子、電子などの粒子の自由運動の運動エネルギーの現れとして現在理解されている現象に基づいてケルビンが再定義されました。

熱力学的温度は、カルノーサイクルを用いて純粋に熱力学的な観点から定義することができる。熱力学的温度は、原子、分子、電子といった粒子が完全に理解されるずっと以前から、歴史的に厳密に定義されてきた。

国際単位系（SI）は、温度を測定するための絶対スケールと、そのスケール上の特定の値を表す単位ケルビン（記号：K）を規定しています。摂氏1度の温度間隔は、ケルビン1度に相当します。2019年のSI改訂以降、ケルビンは熱力学的温度の根底にある物理的性質、すなわち原子の自由粒子の運動エネルギーに関連して定義されています。この改訂により、ボルツマン定数は正確に固定されました。1.380 649 × 10 ⁻²³  J⋅K ⁻¹ . ^{[ 1 ]}

物質に温度を与える性質は、ボルツマン定数を通して熱エネルギーが特定の気体の圧力と温度に正確に定義された変化を引き起こす仕組みを説明する理想気体の法則を調べることで容易に理解できます。これは、ヘリウムやアルゴンなどの単原子ガスが、物質内で起こりうる運動の特定のサブセット、すなわち3つの並進自由度のみで運動する、完全に弾性のある球状のビリヤードボールのように運動学的に振る舞うためです。並進自由度とは、3次元空間のx軸、y軸、z軸に沿った、おなじみのビリヤードボールのような動きのことです（下の図1を参照）。これが、希ガスがすべて原子あたりの熱容量が同じであり、その値がすべてのガスの中で最も低い理由です。 

しかし、分子（2つ以上の化学的に結合した原子）は内部構造を持ち、そのため追加の内部自由度を持ちます（下の図3を参照）。このため、分子は単原子ガスよりも、同じ温度上昇に対してより多くの熱エネルギーを吸収します。熱エネルギーは利用可能なすべての自由度で発生します。これは等分配定理に従っており、利用可能なすべての内部自由度は、3つの外部自由度と同じ平均エネルギーを持ちます。しかし、すべてのガスに圧力を与える性質、つまり容器から反跳するガス粒子によって容器にかかる単位面積あたりの正味の力は、自由に運動する原子と分子の3つの並進自由度で運ばれる運動エネルギーの関数です。^{[ 2 ]}

ボルツマン定数を特定の値に固定することで、希ガスの平均運動挙動に基づいてケルビンの大きさを正確に定めることができた。さらに、熱力学的温度スケールの始点である絶対零度は、試料中の平均運動エネルギーがゼロとなる点として再確認された。この場合、残る粒子運動は零点エネルギーによるランダムな振動のみとなる。

温度目盛は数値で表されます。温度目盛の数値ゼロは、絶対零度と必ずしも一致するわけではありません。ただし、ケルビン温度目盛やランキン温度目盛のように、数値ゼロが絶対零度と一致する温度目盛もあります。一方、摂氏温度目盛や華氏温度目盛のように、数値ゼロが絶対零度から大きく離れた温度目盛もあります。

熱力学的温度の零点である絶対零度では、物質の粒子構成要素の運動は最小限であり、それ以上冷えることはありません。^{[ 3 ] [ 4 ]}絶対零度は、0ケルビン（0 K）の温度であり 、正確には-273.15  °Cおよび-459.67 °Fに相当します。絶対零度の物質には、伝達可能な平均運動エネルギーは残っておらず、残っている粒子の運動は、 ZPE（零点エネルギー ）と呼ばれる遍在する量子力学的現象によるものだけです。^{[ 5 ]}例えば、絶対零度に正確に置かれた液体ヘリウムの容器内の原子は、零点エネルギーのためにわずかに揺れ動きますが、そのようなヘリウムを作動流体の1つとして持つ理論的に完全な熱機関は、他の作動流体に正味の運動エネルギー（熱エネルギー）を伝達することは決してなく、熱力学的仕事は発生しません。

温度は、物質の体積や圧力（ゲイ＝リュサックの法則を参照）、あるいは放出される黒体放射の波長など、物質の他の物理的性質との相互関係を科学的に調べる際には、一般的に絶対温度で表されます。絶対温度は、化学反応速度を計算する際にも有用です（アレニウスの式を参照）。さらに、絶対温度は、極低温学や超伝導などの関連現象において一般的に用いられます。例えば、次の使用例が挙げられます。「都合の良いことに、タンタルの転移温度（_Tc ）は4.4924ケルビンであり、ヘリウムの沸点4.2221ケルビンをわずかに上回っています。」 

歴史上、他にも多くの温度スケールが存在したが、絶対零度を零点（0）とする熱力学的温度を測定するスケールは、ケルビン尺度とランキン尺度の2つだけである。

現代の測定がほぼ常に国際単位系を用いて行われる科学界では、熱力学的温度はケルビン尺度で測定されます。ランキン尺度は英国の工学単位の一部であり、特に従来の参考書など、特定の工学分野で使用されています。ランキン尺度の単位はランキン度（記号：°R）であり、これは華氏度（記号：°F）と同じ大きさです。

1ケルビンの単位増加は、ちょうど1.8倍の1ランキン度です。したがって、ケルビン目盛の特定の温度をランキン目盛に変換するには、x K = 1.8 x °Rとなり、ランキン目盛の温度をケルビン目盛に変換するには、x °R = x /1.8 Kとなります。結果として、絶対零度はどちらの目盛でも「0」ですが、氷の融点（0  °C および 273.15  K）は 491.67  °R です。

温度間隔（2つの温度間の差または幅）を変換するには、前の段落の式が適用されます。たとえば、5ケルビンの間隔は、9ランキン度の間隔と正確に等しくなります。

1954年からSIの2019年改訂までの65年間、 1ケルビンの温度間隔は、水の三重点と絶対零度の温度差の1 / 273.16として定義されていました。国際度量衡局（BIPM）による1954年の決議、およびその後の決議と出版物では、水の三重点を正確に273.16 Kと定義し、以前の慣例（すなわち、0 °Cが長い間水の融点として定義され、水の三重点が長い間実験的に0.01 °Cに非常に近いと決定されていたこと）により、摂氏スケールとケルビン スケールの差を273.15 Kとすることが「一般的な慣行」であると認めました。つまり、0 °C は 273.15 Kに相当する。 ^{[ 6 ]}この決議と後の決議の最終的な効果は 2 つあった。1) 絶対零度を正確に 0 K と定義したこと、2)ウィーン標準平均海水と呼ばれる特殊な同位体制御水の三重点が正確に 273.16 K と 0.01 °C で発生すると定義したことである。前述の決議の効果の 1 つは、水の融点が273.15 K と 0 °C に非常に近いものの、定義値ではなく、より精密な測定による改良の対象となったことである。           

1954年のBIPM標準は、水のサンプル間の同位体変動による不確実性の範囲内で、水の凝固点と三重点付近の温度を確立することには成功したが、三重点と絶対零度の間の中間値、および室温以上からの外挿値は、個々の研究室の装置と手順によって実験的に決定する必要があった。この欠点は、 13.8033 Kから1,357.77 Kまでの13の追加点を定義した1990年の国際温度目盛（ITS - 90）によって対処された。定義ではあるが、ITS - 90にはいくつかの課題があり、現在も課題がある。その理由の一つは、外挿値の8つが金属サンプルの融点または凝固点に依存しており、融点または凝固点が影響を受けないように（通常は低下する）、金属サンプルは極めて純粋でなければならないからである。  

2019年のSI単位系の改訂は、主にSI単位系の定義上の基盤の多くをキログラムから切り離すことを目的としていました。キログラムは、 SI基本単位を定義する最後の物理的人工物（フランスの金庫に保管された3つの入れ子式のベルジャーの下に収められた白金/イリジウム製の円筒）であり、その安定性は非常に疑わしいものでした。この解決策には、ボルツマン定数を含む4つの物理定数を定義的に固定することが必要でした。

ボルツマン定数に厳密に定義された値を割り当てても、極めて精密な測定を除いて、現代の温度測定には実際的な影響はなかった。改訂前は、水の三重点は正確に273.16  Kと0.01  °Cであり、ボルツマン定数は実験的に決定されていた。1.380 649 03 (51) × 10 ⁻²³  J/K、ここで「(51)」は最下位2桁（03）の不確かさを表し、相対標準不確かさ0.37  ppmに等しい。^{[ 7 ]}その後、ボルツマン定数を正確に定義することにより1.380 649 × 10 ⁻²³  J/K、0.37  ppm の不確かさが水の三重点に伝達され、実験的に決定された値となった。273.1600 ± 0.0001  K (0.0100 ± 0.0001  °C  ）。SI改訂後、水の三重点が 273.16 K に極めて近い値になったのは偶然ではなく、ボルツマン定数の最終値は、水の三重点を主要な基準温度として使用したアルゴンとヘリウムの巧妙な実験によって部分的に決定されました。^{[ 8 ] [ 9 ]}

2019年の改訂にもかかわらず、水の三重点セルは、273.16  Kおよび0.01  °Cという極めて高精度な校正基準として、現代の温度測定において引き続き利用されています。さらに、水の三重点は、水素の三重点（13.8033 K）から銅の凝固点（1,357.77 K）まで、熱力学的温度の約100倍の範囲をカバーするITS - 90を構成する14の校正点の1つです。  

熱力学的温度は科学者だけでなく、気体に関わる多くの分野で一般の人々にも役立ちます。変数を絶対値で表し、温度と圧力の比例関係に関するゲイ＝リュサックの法則を適用することで、日常的な問題の解決は簡単になります。たとえば、温度変化が自動車のタイヤ内部の圧力にどのように影響するかを計算する場合です。タイヤの冷間ゲージ圧力が 200 kPa の場合^、絶対圧力は300 kPaです。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}室温（タイヤ用語で「冷間」）は 296 K です。タイヤの温度が 20 °C (20ケルビン) 高い場合、解決策は316 K / 296 K = 6.8% 高い熱力学的温度と絶対圧力、つまり 320 kPaの絶対圧力となり、ゲージ圧力は 220 kPa になります。        

熱力学的温度は、理想気体の法則とその帰結と密接に関係しています。また、熱力学第二法則とも関連付けることができます。熱力学的温度は特別な性質を持つことが示されており、特に理想化された熱機関の効率_を考慮すると、（ある定数乗数を除いて）一意に定義されることがわかります。したがって、2つの温度T₁とT₂の_比T₂ _/ T₁は、すべての_絶対スケールで同じになります。

厳密に言えば、系の温度は、それが熱平衡状態にある場合にのみ明確に定義される。微視的な観点から言えば、物質は、その構成粒子間の熱量が相殺されるときに熱平衡状態にある。温度には、さまざまな物理現象の観察から導き出される、多くの尺度が存在する。

大まかに言うと、温度差は2つのシステム間の熱の方向を決定し、それらの結合エネルギーが可能な限り低い状態に最大限に分配されるようにします。この分配を「エントロピー」と呼びます。温度とエントロピーの関係をよりよく理解するために、カルノー熱機関で示されている熱、仕事、温度の関係を考えてみましょう。この機関は、高温の熱源T _Hと低温の熱シンクT _Cの間の温度勾配をガスで満たされたピストンを通して導くことで、熱を仕事に変換します。1サイクルあたりに行われる仕事は、正味の熱吸収量に等しく、これは高温源から機関が吸収する熱 q H と、機関から放出される廃熱 q C < 0 の合計です。[44] 機関の効率は、_仕事量をシステム_に投入^された熱量で割ったものです。 $${\displaystyle {\begin{aligned}{\textrm {効率}}&={\frac {|w_{\text{cy}}|}{q_{\text{H}}}}={\frac {q_{\text{H}}+q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1+{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}&(1)\end{aligned}}}$$ どこ${\displaystyle w_{\text{cy}}}$_{は1サイクルあたりの}仕事量です。したがって、効率は_| qC | / | qH |のみに依存します。

カルノーの定理によれば、同じ熱源間で動作する可逆機関はすべて同じ効率を持つ。したがって、温度T ₁とT ₂の間で動作する可逆熱機関はすべて同じ効率を持つはずであり、つまり効率は温度のみの関数である。 $${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}&=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}}).&(2)\end{aligned}}}$$

さらに、温度T ₁とT ₃の一対の熱源間で動作する可逆熱機関は、T ₁と別の（中間）温度T ₂の間、およびT ₂とT ₃の間の2 つのサイクルから構成される機関と同じ効率を持つ必要があります。そうでない場合、エネルギー（qの形で）が浪費または獲得され、サイクルが構成要素サイクルに分割されるたびに全体の効率が異なります。明らかに、サイクルは機関の設計上の選択として任意の数の小さなサイクルで構成することができ、T ₁とT ₃の同じ熱源間の可逆機関は、機関の設計に関係なく、同じ効率を持つ必要があります。

1サイクルエンジンと2サイクルエンジンが行う仕事が同じになるようにエンジンを選択した場合、各熱機関の効率は次のように表されます。 $${\displaystyle {\begin{aligned}\eta _{1}&=1-{\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}&=1-f(T_{1},T_{3})\\\eta _{2}&=1-{\frac {|q_{2}|}{|q_{1}|}}&=1-f(T_{1},T_{2})\\\eta _{3}&=1-{\frac {|q_{3}|}{|q_{2}|}}&=1-f(T_{2},T_{3})\end{aligned}}}$$

ここで、エンジン1は1サイクルエンジンであり、エンジン2と3は、T2に中間熱源がある2サイクルエンジンを構成します_。また、熱が$q2$中間熱源を通過する${\displaystyle T_{2}}$エネルギーを失うことなく。（つまり、$q2$貯水池を通過する際に失われることはない${\displaystyle T_{2}}$この事実は、以下のことから証明できます。 $${\displaystyle {\begin{aligned}{{\eta }_{2}}&=1-{\frac {|{{q}_{2}}|}{|{{q}_{1}}|}}\to |{{w}_{2}}|=|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|,\\{{\eta }_{3}}&=1-{\frac {|{{q}_{3}}|}{|{{q}_{2}}^{*}|}}\to |{{w}_{3}}|=|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|,\\|{{w}_{2}}|+|{{w}_{3}}|&=(|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|)+(|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|),\\{{\eta }_{1}}&=1-{\frac {|{{q}_{3}}|}{|{{q}_{1}}|}}={\frac {(|{{w}_{2}}|+|{{w}_{3}}|)}{|{{q}_{1}}|}}={\frac {(|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|)+(|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|)}{|{{q}_{1}}|}}.\\end{aligned}}}$$

最後の式に一貫性を持たせるために、熱$q2$エンジン２から中間貯蔵庫へ送られる熱量は、$q_2*$貯水池からエンジン3まで飛行した。

q ₁、q ₂、q ₃のこの理解に基づいて、数学的には、 $${\displaystyle f(T_{1},T_{3})={\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}={\frac {|q_{2}||q_{3}|}{|q_{1}||q_{2}|}}=f(T_{1},T_{2})f(T_{2},T_{3}).}$$

しかし、最初の関数はT ₂の関数ではないため、最後の 2 つの関数の積は、変数としてT ₂を削除する結果にならなければなりません。したがって、唯一の方法は、関数fを次のように定義することです。 $${\displaystyle f(T_{1},T_{2})={\frac {g(T_{2})}{g(T_{1})}}}$$ そして $${\displaystyle f(T_{2},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{2})}}}$$ となることによって $${\displaystyle f(T_{1},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{1})}}={\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}.}$$

つまり、熱交換の比率は、それぞれの温度の関数です。${\displaystyle g(T)}$; ^{[ 45 ]}それは便宜と慣習の問題であり、${\displaystyle g(T)=T}$: 次に、1つの固定基準温度（例えば水の三重点）を選択することで、熱力学的温度スケールを確立します。

このような定義は理想気体の導出における定義と一致します。また、この熱力学的温度の定義によって、カルノー効率をT _HとT _Cで表すことが可能になり、それによって（完全な）カルノーサイクルが等エントロピーであることを導き出すことができます。 $${\displaystyle {\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})={\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (3)}$$

これを効率に関する最初の式に代入すると、温度に関する関係式が得られます。 $${\displaystyle {\textrm {Efficiency}}=1+{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}=1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (4)}$$

T _C = 0の場合、効率は 100% であり、 T _C < 0の場合、効率は 100% を超えることに注意してください。これは非現実的です。式 (4) の右辺から 1 を引いて、中間部分から次の式が得られます。${\displaystyle {\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}}$したがって^{[ 46 ] [ 44 ]}$${\displaystyle {\frac {q_{\text{H}}}{T_{\text{H}}}}+{\frac {q_{\text{C}}}{T_{\text{C}}}}=0.}$$

この方程式の一般化はクラウジウスの定理であり、状態関数の存在を提唱している。${\displaystyle S}$（つまり、システムの状態のみに依存し、その状態に至るまでの過程には依存しない関数）は、（加法定数を除いて）次のように定義される。 $${\displaystyle {\begin{aligned}dS&={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{T}}&(5)\end{aligned}}}$$ ここで、添え字rev は可逆過程における熱伝達を示す。${\displaystyle S}$は、前述のシステムのエントロピーであり、${\displaystyle S}$任意のサイクルの周囲はゼロである（これはあらゆる状態関数に必要な条件である）。式5を変形すると、エントロピーと熱を用いて温度の別の定義を得ることができる（論理ループを避けるため、まず統計力学を通してエントロピーを定義する必要がある）。 $${\displaystyle T={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{dS}}.}$$

定容系の場合（つまり、機械的な仕事がない場合）${\displaystyle W}$エントロピー${\displaystyle S}$関数です${\displaystyle S(E)}$その内部エネルギー${\displaystyle E}$、${\displaystyle dE=dq_{rev}}$熱力学的温度${\displaystyle T}$したがって、は次のように与えられる。 $${\displaystyle {\frac {1}{T}}={\frac {dS}{dE}},}$$ つまり、熱力学的温度の逆数は、定容状態における内部エネルギーに対するエントロピーの変化率に等しい。

ギヨーム・アモントン（1663年～1705年）は、1702年と1703年に2つの論文を発表し、絶対零度を特徴とする基本的な（熱力学的）温度目盛の存在を推論した最初の研究者として評価されるに値する。彼は当時使用されていた空気温度計の改良に努める中でこの発見をした。彼のJ管温度計は、温度計の感知部内に閉じ込められた一定量の空気によって支えられた水銀柱で構成されていた。熱力学的に言えば、彼の温度計は一定圧力下における気体の体積／温度関係に基づいていた。彼は水の沸点と氷の融点を測定した結果、温度計内に閉じ込められた空気の質量や、空気が支えている水銀の重量に関わらず、氷点における空気体積の減少率は常に一定であることを示した。この観察から、彼は温度を十分に下げれば空気体積がゼロになるという仮説を立てた。実際、彼の計算では絶対零度は-240  ℃に相当すると予測され、真の値である-273.15  ℃よりわずか33.15℃低いだけだった。絶対温度と絶対圧力の間に一対一の関係があるというアモントンの発見は、1世紀後にジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックによって再発見され、科学界で広く知られるようになった。今日、この熱力学の原理は一般的にゲイ＝リュサックの法則として知られているが、アモントンの法則としても知られている。

1742年、アンデルス・セルシウス（1701～1744）は、現代のセルシウス温度目盛の「逆」バージョンを作成しました。セルシウスの元の目盛では、0は水の沸点、100は氷の融点を表していました。彼は論文「温度計上の2つの持続的な度数の観測」の中で、氷の融点は圧力の影響をほとんど受けないことを示す実験について述べています。また、彼は水の沸点が大気圧の関数としてどのように変化するかを驚くほど正確に決定しました。彼は、自身の温度目盛の0（水の沸点）を平均海面における平均気圧で校正することを提案しました。

1744年にアンデルス・セルシウスが亡くなったのと時を同じくして、植物学者のカール・リンネ（1707～1778）は、氷の融点をゼロ、水の沸点を100とする目盛りの最初の温度計を受け取ったことで、セルシウスの温度目盛りを事実上逆転させた^{[ 47 ] [ 48 ]。}リンネの温室で使用するために特注されたリンネ温度計は、当時スウェーデンを代表する科学機器メーカーであったダニエル・エクストロムによって作られた。その後204年間、世界中の科学界と温度測定界はこの目盛りを摂氏目盛りと呼んだ。摂氏目盛りの温度は、単に度と表記されることが多かったが、より詳細な表記が必要な場合は摂氏度と表記された。この目盛りの温度値の記号は°C（長年にわたっていくつかの形式があった）であった。摂氏という用語は、角度測定の単位（直角の100分の1）を表すフランス語の名称でもあり、他の言語でも同様の意味合いを持っていたため、国際度量衡局（BIPM）などの国際標準化機関が非常に正確で曖昧さのない表現を必要とする場合、「 100分の1度」という用語が使用されました。第9回CGPM（度量衡総会）とCIPM（国際度量衡委員会）は、 1948年に正式に摂氏度（記号：°C）を採用しました^{[ 49 ] 。}

ヨハン・ハインリヒ・ランベルト（1728-1777、時折ジョセフ・ランベルトと誤って呼ばれる）は、死の4か月前に完成させた著書『パイロメトリー』（1777年）^{[ 50 ]}の中で、一定体積の気体の圧力と温度の関係に基づいた絶対温度目盛を提案した。これは、75年前にギヨーム・アモントンが発見した、一定圧力下の気体の体積と温度の関係とは異なる。ランベルトは、絶対零度は単純な直線外挿が気体圧力ゼロに達する点であり、-270 ℃に等しいと述べた。 

85年前にギヨーム・アモントンが行った研究にもかかわらず、ジャック・アレクサンドル・セザール・シャルル（1746-1823）は、一定圧力下の気体の体積がその絶対温度に比例することを（1787年頃に）発見したとよく言われるが、それを公表はしなかった。彼が作った公式はV ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂である。

ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサック（1778年～1850年）は、1802年に（15年前にジャック・シャルルが未発表の実験ノートを記していたことを引用して）一定圧力下での気体の体積が絶対温度（熱力学的温度）に比例して変化することを記述した論文を発表した。この挙動はシャルルの法則と呼ばれ、気体の法則の一つである。彼の式は、氷の融点に対する気体の膨張係数として273という数値を用いた最初の既知の式である（絶対零度が-273  ℃に相当することを示している）。

ウィリアム・トムソン（1824～1907年）、別名ケルビン卿は、1848年の論文「絶対温度目盛について」^{[ 51 ]}で、絶対零度をゼロ点とし、単位増分に摂氏を用いる目盛の必要性について述べている。ゲイ＝リュサックと同様に、トムソンは絶対零度が 当時の空気温度計で-273℃に相当すると計算した。この絶対目盛は今日、ケルビン熱力学温度目盛として知られている。トムソンの-273という値は、氷点に対する摂氏1度あたりの気体の膨張係数として認められていた0.00366から導き出されたものである。-0.00366の逆数を有効数字5桁で表すと-273.22  ℃となり、これは真の値である-273.15  ℃に非常に近い。

その論文の中で彼は、理想化された熱機関を用いて温度を定義することを提案した。具体的には、温度がそれぞれ異なる3つの熱源が与えられた場合、${\displaystyle T_{A},T_{B},T_{C}}$2 つの可逆熱機関 (カルノー機関) が、その間で動作する場合${\displaystyle T_{A},T_{B}}$そしてもう1つは${\displaystyle T_{B},T_{C}}$同じ量の機械的仕事を生み出すことができる${\displaystyle W}$同じ量の熱を${\displaystyle Q}$通過させてから定義する${\displaystyle T_{A}-T_{B}=T_{B}-T_{C}}$。

カルノーと同様に、ケルビンも熱が保存されるという仮定（「熱（またはカロリー）を機械的効果に変換することは恐らく不可能である」）の下で研究していたことに注意してください。${\displaystyle Q}$熱機関に入り、そして熱が${\displaystyle Q}$出てこなければならない。^{[ 52 ]}

ケルビンは、ジュールの実験の後、熱は保存量ではなく機械的仕事と変換可能であることに気づき、1851年の著作『カルノーの熱動力理論の説明』で自身の尺度を修正した。この著作の中で、彼は次のように定義した。^{[ 53 ]}

2つの熱源が与えられた場合${\displaystyle T_{A},T_{B}}$そして、それらの間に可逆熱機関が作動し、機関のサイクル中に熱が${\displaystyle Q_{A}}$エンジンに熱が伝わり、${\displaystyle Q_{B}}$エンジンから出てくると、${\displaystyle {\frac {T_{A}}{T_{B}}}={\frac {Q_{A}}{Q_{B}}}}$。

上記の定義は絶対温度間の比率を固定するが、絶対温度の尺度を固定するものではない。尺度については、トムソンは摂氏度、すなわち、${\displaystyle {\frac {1}{100}}}$水の凝固点と沸点の間の間隔。

1859年、マクウォーン・ランキン（1820～1872）は、ウィリアム・トムソンのものと似た熱力学的温度スケールを提案したが、その単位増分には華氏度を使用していた。${\displaystyle {\frac {1}{180}}}$水の凝固点と沸点の間の温度範囲。この絶対的な温度尺度は、今日ではランキン熱力学温度尺度として知られている。

ルートヴィヒ・ボルツマン（1844年～1906年）は、粒子運動論と黒体放射の役割を理解することで、1877年から1884年にかけて熱力学に多大な貢献をした。彼の名前は、現代の熱力学で用いられる多くの公式に冠されている。

1930年代には、氷の融点と水の沸点に合わせて精密に校正された気体温度計実験により、絶対零度は-273.15  ℃に相当することが示された。

1948年の第9回国際度量衡総会（CGPM）の決議3 ^{[ 54 ]}は、水の三重点を正確に0.01 °Cに固定した。この時点では、三重点の等価ケルビン値の正式な定義はまだなく、決議では「後日固定される」と宣言された。これは、1930年代に測定された絶対零度の値が本当に-273.15 °Cであれば、水の三重点（0.01 °C）は273.16 Kに相当することを意味している。さらに、国際度量衡委員会（CIPM）とCGPMの両方が、摂氏度と摂氏温度目盛に正式にセルシウスという名称を採用した^{[ 55 ]}。^{[ 58 ]}    

1954年の第10回CGPM決議3 ^{[ 59 ]}は、水の三重点を上限定義点として選択し（絶対零度を零点とする点は変更せず）、その温度を正確に273.16ケルビン （当時は273.16度ケルビン と表記されていた）とすることで、ケルビン尺度の現代的な定義を与えた。これは、第9回CGPM決議3と組み合わせることで、絶対零度を正確に0ケルビン、−273.15 ℃と定義する効果をもたらした。

1967/1968年の第13回CGPM決議3 ^{[ 60 ]}は、熱力学的温度の単位増分を絶対度（記号°K ）に代えてケルビン（記号K）と改名した。さらに、単位増分の大きさをより明確に定義することが有用であると考えた第13回CGPMは、決議4 ^{[ 61 ]}において、「熱力学的温度の単位であるケルビンは、水の三重点の熱力学的温度の1/273.16である」と決定した。

CIPMは2005年に^{[ 62 ]}、水の三重点の温度を定める目的で、ケルビン熱力学的温度スケールの定義は、ウィーン標準平均海水公称仕様と正確に等しいと定義された同位体組成を持つ水を参照すると断言した。

2018年11月、第26回国際度量衡総会（CGPM）は、ボルツマン定数を固定することにより、ケルビンの定義を変更した。単位J/Kで表すと1.380 649 × 10 ⁻²³となる。この変更（およびSI単位の定義におけるその他の変更）は、メートル条約144周年記念日である2019年5月20日に発効した。

以下の注釈では、数値の等式が簡潔な形式で示されている場合、1.854 87 (14) × 10 ⁴³、括弧内の 2 桁は、仮数の最下位 2 桁における1-σ (1標準偏差、68% 信頼水準) での不確実性を示します。