Loading article…
温度計は、温度（物体の熱さまたは冷たさ）または温度勾配（空間における温度変化率）を測定する装置です。温度計には、次の2つの重要な要素があります。（1）温度センサー（例えば、水銀温度計の球部や赤外線温度計の放射温度センサー）は、温度変化に伴って何らかの変化が生じます。（2）この変化を数値に変換する手段（例えば、水銀温度計に目盛りが付いている目盛りや、赤外線温度計のデジタル表示）。温度計は、技術や産業におけるプロセスの監視、気象学、医学（体温計）、科学研究など、幅広い分野で利用されています。
個々の温度計は温度の度合いを測定できますが、合意されたスケールに準拠していない限り、2つの温度計の測定値を比較することはできません。現在では、絶対熱力学的温度スケールが存在します。国際的に合意された温度スケールは、固定点と補間温度計に基づいて、この絶対温度スケールにできるだけ近い値となるように設計されています。最新の公式温度スケールは、1990年の国際温度スケールです。これは、 0.65 K (-272.5 °C; -458.5 °F)から約1,358 K (1,085 °C; 1,985 °F)までをカバーしています。
歴史的記録は乏しく、矛盾点も多いため、温度計の発明を特定の人物や日付に確実に特定することは困難である。さらに、温度計の歴史には多くの並行した発展があり、時間の経過とともに徐々に改良されてきたことを考えると、温度計は単一の発明ではなく、進化し続ける技術として捉えるのが最も適切である。
古代の空気圧装置やアイデアは、ルネサンス期における温度計の発明にインスピレーションを与えた。
紀元前3世紀、ビザンチウムのフィロンは、片端を液体の入った容器に浸し、もう一方の端を気密性の高い中空の球体に接続した管を用いた実験を記録した。球体内の空気をろうそくで加熱したり、太陽光に当てたりすると、膨張した空気が球体から噴出し、容器内に気泡が発生する。球体内の空気が冷えると、部分的な真空状態が生じ、液体が管内に吸い上げられる。液体の位置の変化によって、球体内の空気が温まっているか冷えているかが分かる。
フィロンの実験に関する古代ギリシャ語の原文の翻訳は、 1617年頃にロバート・フラッドによって利用され、彼の空気温度計の基礎となった。[ 2 ]： 15
アレクサンドリアのヘロン（紀元10～70年）は著書『気体論』の中で、「太陽光の作用によって滴り落ちる噴水」の作り方を記している。これはフィロンの気体実験をより精巧にしたものだが、空気を加熱・冷却して水を動かすという原理は同じである。[ 3 ]古代の著作『気体論』の翻訳は16世紀後半のイタリアに伝わり、ガリレオ・ガリレイをはじめとする多くの人々に研究された。ガリレオは1594年までにこの書を読んでいた。[ 2 ] : 5
ローマ・ギリシャの医師ガレノスは、温度尺度の開発と最終的な温度計の発明に重要な2つの概念を導入した人物として知られています。まず、彼は暑さや寒さを「熱度と冷度」で測定できると考えました。また、氷と沸騰水を等量混合した一定の基準温度を考案し、この温度より4度高い温度と4度低い温度を設定しました。16世紀の医師ヨハン・ハスラーは、患者に適切な量の薬を調合するために、ガレノスの度数理論に基づいた体温尺度を開発しました。[ 2 ]： 3
16 世紀後半から 17 世紀初頭にかけて、ガリレオ・ガリレイ[ 4 ]やイタリアの生理学者サントリオ・サントリオ[ 5 ]をはじめとするヨーロッパの科学者たちが、空気で満たされたガラス球と、部分的に水で満たされた管とを繋いだ装置を開発した。球内の空気が温まったり冷えたりすると、管内の水柱の高さが上下し、観察者は現在の水の高さと以前の高さを比較することで、球内とその周囲の熱の相対的な変化を検出できる。液体の高さに数値を与える目盛りのないこのような装置は、顕熱を目視で確認できることから、温度計と呼ばれている(現代の温度の概念はまだ存在していなかった)。[ 2 ]
温度計とサーモスコープの違いは、後者には目盛りが付いていることである。[ 6 ] [ 2 ]： 4
温度計は、目盛りの付いたサーモスコープにすぎない。…私は、「メーター」には目盛り、あるいはそれに相当するものが必ず付いていなければならないことを自明のこととみなすことを提案する。…もしこれが認められれば、温度計の発明問題はより単純になるが、サーモスコープの発明問題は相変わらず不明瞭なままである。
— WEK ミドルトン著『温度計の歴史と気象学におけるその使用』
このことから、ミドルトンは温度計の発明者としてガリレオ、サントリオ、オランダの発明家コルネリス・ドレッベル、またはイギリスの数学者ロバート・フラッドの可能性があると主張した。[ 2 ]： 5ガリレオは温度計の発明者とよく言われるが、彼が実際にそのような機器を製作したことを示す文書は残っていない。
温度計の最初の明確な図は、1617年にジュゼッペ・ビアンカーニ（1566 - 1624）によって発表されました。[ 2 ] : 10目盛りが付いていて温度計として機能したものが初めて発表されたのは、1625年のサントリオ・サントリオによるものです。[ 5 ]これは、上部に空気球で閉じられた垂直の管で、下端が水の入った容器に開いていました。管内の水位は空気の膨張と収縮によって制御されていたため、これは現在私たちが空気温度計と呼ぶものです。[ 7 ]
「温度計」（フランス語の形）という言葉は、1624年にジャン・ルレションの『数学的レクリエーション』に初めて登場し、8度の目盛りが付いた温度計について記述している。[ 8 ]この言葉は、古代ギリシャ語のθερμός（thermós）「暖かさ」とμέτρον（métron）「測定」に由来する。
上記の計器は気圧計でもあるという欠点があり、つまり気圧に敏感でした。1629年、パドヴァでガリレオとサントリオの弟子であったジョセフ・ソロモン・デルメディゴは、ガラス管に密閉された液体温度計の最初の記述と図解と思われるものを発表しました。それは、ブランデーが部分的に満たされた密閉管の底に球根があり、管には目盛りが刻まれていると説明されています。デルメディゴはこの計器を発明したとは主張していません。また、発明者として他の誰かの名前も挙げていません。[ 9 ] 1654年頃、トスカーナ大公フェルディナンド2世・デ・メディチ（1610年～1670年）は、液体の膨張に依存し、気圧に依存しない、最初の近代的な温度計であるそのような計器を製作しました。[ 8 ]他の多くの科学者がさまざまな液体と温度計の設計で実験を行いました。しかし、各発明者と各温度計は独自のものであり、標準的な目盛りはありませんでした。
標準化の初期の試みでは、水の凝固点などの単一の基準点が追加されました。温度計の目盛りに2つの基準点を使用する方法は、1668年にヨアヒム・ダレンツによって導入されたと言われています[ 10 ]： 7-8。ただし、クリスティアーン・ホイヘンス（1629-1695）は1665年にすでに水の融点と沸点を基準とした目盛りの使用を提案しており[ 11 ]、1694年にはカルロ・リナルディーニ（1615-1698）が、それらを度数に分割された普遍的な尺度上の固定点として使用することを提案しました[ 12 ] [ 13 ] [ 10 ] ： 56。 1701年、アイザック・ニュートン（1642-1726/27）は、氷の融点と体温の間に12度の尺度を提案しました[ 10 ]： 57-60
1714年、科学者で発明家のダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトは、アルコールと水の混合物の代わりに水銀を使用した信頼性の高い温度計を発明しました。1724年、彼は温度目盛を提案し、現在では（若干修正されて）彼の名前が付けられています。1742年、アンデルス・セルシウス（1701～1744）は、水の沸点を0度、凝固点を100度とする目盛を提案しましたが[ 14 ] 、現在彼の名前が付けられている目盛では、その逆になっています[ 15 ] 。フランスの昆虫学者ルネ・アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールは、1730年にアルコール温度計と温度目盛を発明しましたが、最終的にはファーレンハイトの水銀温度計よりも信頼性が低いことが判明しました。
臨床現場で体温計による測定を初めて行った医師はヘルマン・ブールハーフェ（1668～1738）であった。[ 16 ] 1866年、サー・トーマス・クリフォード・オールバット（1836～1925）は、20分かかっていた体温測定を5分で行える臨床用体温計を発明した。 [ 17 ]
従来の温度計はすべて非記録式温度計でした。つまり、温度計を異なる温度の場所に移動すると、温度表示が保持されませんでした。熱い液体の入った鍋の温度を測るには、温度計を熱い液体の中に入れたままにして、読み取る必要がありました。非記録式温度計を熱い液体から取り出すと、温度計の表示温度はすぐに新しい環境（この場合は気温）の温度を反映して変化し始めました。記録式温度計は、温度を無期限に保持するように設計されているため、温度計を取り外して後で、またはより便利な場所で読み取ることができます。機械式記録式温度計は、水銀ガラス温度計を振るなどして手動でリセットされるまで、またはさらに極端な温度になるまで、到達した最高温度または最低温度を保持するように設計されています。電子式記録式温度計は、到達した最高温度または最低温度を保存するか、特定の時点での温度を記録するようにプログラムできます。
温度計は、デジタル表示やコンピュータへの入力を行うために、ますます電子的な手段を用いるようになっている。
温度計は、経験的温度計または絶対温度計に分類できます。絶対温度計は、熱力学的絶対温度目盛によって数値的に校正されます。経験的温度計は、数値目盛の読み取り値に関して、一般に絶対温度計と完全に一致するとは限りませんが、温度計として認められるためには、絶対温度計および互いに、次の点で一致する必要があります。それぞれの熱力学的平衡状態にある任意の2つの物体が与えられた場合、すべての温度計は、どちらの温度が高いか、または2つの温度が等しいかについて一致します。[ 18 ]任意の2つの経験的温度計の場合、数値目盛の読み取り値間の関係が線形である必要はありませんが、その関係が厳密に単調である必要があります。[ 19 ]これは、温度と温度計の基本的な特性です。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
教科書で慣例的に述べられているように、いわゆる「熱力学の第零法則」だけではこの情報は得られませんが、1977年にジェームズ・セリンが述べた熱力学の第零法則は、数学的にはやや抽象的ではありますが、温度測定にとってより有益な情報を提供します。「第零法則 ― 位相線が存在する」これは物質挙動の座標多様体として機能する。多様体のこれらは「辛さレベル」と呼ばれ、これは「普遍的な熱量多様体」と呼ばれています。[ 23 ]この情報に、より大きな熱さの感覚を加える必要があります。この感覚は、熱量測定、熱力学、特定の物質の特性とは独立して、ウィーンの熱放射の変位法則から得ることができます。熱放射浴の温度は、普遍定数によって、その周波数スペクトルの最大値の周波数に比例します。この周波数は常に正ですが、ゼロに近づく値をとることもあります。より高温の状態とより低温の状態を識別するもう1つの方法は、プランクの原理によって提供されます。等積断熱仕事のプロセスが閉鎖系の内部エネルギーの変化の唯一の手段である場合、系の最終状態は初期状態よりも低温になることはなく、潜熱を伴う相変化を除いて、初期状態よりも高温になります。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
経験的温度計は、本稿の「一次温度計と二次温度計」の項に記載されているように、いくつかの原理に基づいて構築されています。これらの原理の多くは、適切に選択された特定の物質の状態とその温度との間の構成関係に基本的に基づいています。この目的に適した物質は限られており、それらは「測温材料」とみなすことができます。一方、放射温度測定は、物質の構成関係にほとんど依存しません。したがって、ある意味では、放射温度測定は「普遍的」であると言えるでしょう。これは、放射温度測定が主に熱力学的平衡の普遍性、すなわち黒体放射を生成する普遍的な性質に基づいているためです。
物質の特性に基づいた様々な種類の経験的温度計が存在する。
多くの経験的温度計は、温度測定材料の圧力、体積、温度の間の構成関係に基づいている。例えば、水銀は加熱されると膨張する。
圧力と体積と温度の関係を利用するために用いられる温度計材料は、次の3つの特性を備えている必要がある。
（１）加熱と冷却が速やかでなければならない。つまり、熱量が物質に出入りすると、物質は最終体積まで膨張または収縮するか、最終圧力に達し、最終温度に実質的に遅延なく達しなければならない。入ってくる熱の一部は、一定温度で物体の体積を変化させるものと考えることができ、これを定温膨張潜熱と呼ぶ。残りの熱は、一定体積で物体の温度を変化させるものと考えることができ、これを定積比熱と呼ぶ。この性質を持たない物質もあり、温度変化と体積変化の間で熱を分配するのに時間がかかる。[ 27 ]
（２）加熱と冷却は可逆でなければならない。つまり、材料は同じ熱の増減によって無限に加熱と冷却を繰り返しても、毎回元の圧力、体積、温度に戻ることができなければならない。一部のプラスチックはこの性質を持たない。[ 28 ]
（３）加熱と冷却は単調でなければならない。[ 19 ] [ 29 ]すなわち、動作するように意図された温度範囲全体にわたって、
約 4 °C 付近の温度では 、水は性質 (3) を持たず、この点で異常な挙動を示すと言われます。したがって、水は 4 °C 付近の温度範囲でのこの種の温度測定の材料として使用することはできません。[ 21 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]
一方、気体はすべて特性（1）、（2）、（3）（a）（α）および（3）（b）（α）を有しています。したがって、気体は温度測定材料として適しており、そのため温度測定法の発展において重要でした。[ 34 ]
プレストン（1894/1904）によると、レニョーは定圧空気温度計は面倒な補正が必要なため不満足だと考えた。そのため彼は定容空気温度計を製作した。[ 35 ] 定容温度計は、約4 ℃の水のような異常な挙動の問題を回避する方法を提供しない。 [ 33 ]
プランクの法則は、熱力学的平衡に達した、完全に不透明で反射率の低い物質でできた剛体壁の空洞内部における電磁放射のパワースペクトル密度を、絶対熱力学的温度のみの関数として非常に正確に定量的に記述します。空洞の壁に十分小さな穴を開けると、ほぼ黒体放射に近い放射が生じ、そのスペクトル放射輝度を正確に測定できます。空洞の壁は、完全に不透明で反射率が低い限り、どのような物質であっても構いません。
温度計は、測定する生の物理量がどのように温度にマッピングされるかに基づいて、一次温度計または二次温度計と呼ばれます。Kauppinen らによって要約されているように、「一次温度計の場合、測定される物質の特性は非常によくわかっているので、未知の量を使わずに温度を計算できます。これらの例としては、気体の状態方程式、気体中の音速、電気抵抗器の熱雑音電圧または電流、および磁場中の特定の放射性原子核のガンマ線放出の角度異方性に基づく温度計があります。」[ 36 ]
対照的に、「二次温度計は利便性から最も広く使用されています。また、一次温度計よりもはるかに感度が高い場合が多いです。二次温度計の場合、測定対象の特性を知っているだけでは温度を直接計算することはできません。少なくとも1つの温度、または複数の固定温度で一次温度計に対して校正する必要があります。例えば、三重点や超伝導転移などの固定点は、同じ温度で再現性よく発生します。」[ 36 ]
温度計の校正は、他の校正済み温度計と比較するか、温度目盛上の既知の固定点と比較することによって行うことができます。これらの固定点の中で最もよく知られているのは、純水の融点と沸点です。（水の沸点は圧力によって変化するため、圧力を制御する必要があります。）
ガラス製または金属製の液体温度計に目盛りを付ける従来の方法は、3つの段階から成っていました。
過去に使用されたその他の固定点としては、もともと華氏が上限固定点として使用した体温（健康な成人男性の体温、 12で割り切れる96 °F（35.6 °C））と、もともと0 °F（-17.8 °C）の定義であった塩と氷の混合物によって得られる最低温度がある。[ 37 ] （これは冷熱混合物の例である。）体温は変化するため、華氏目盛は後に沸騰水の212 °F（100 °C）を上限固定点として使用するように変更された。[ 38 ]
これらは現在、 1990 年の国際温度目盛の定義点に置き換えられていますが、実際には水の融点が三重点よりも一般的に使用されています。三重点は管理がより困難であるため、重要な標準測定に限定されています。今日では、メーカーは、校正済みの温度計に対して温度が一定に保たれる恒温槽または固体ブロックを使用することがよくあります。校正する他の温度計を同じ槽またはブロックに入れ、平衡状態になるまで放置し、目盛りをマークするか、機器の目盛りからの偏差を記録します。[ 39 ]多くの最新のデバイスでは、校正は、電子信号を処理して温度に変換するために使用される値を指定することになります。
温度計の精度または分解能とは、読み取り可能な度数の分数を指します。高温での作業では、10 °C またはそれ以上の精度でしか測定できない場合があります。臨床用温度計や多くの電子温度計は通常 0.1 °C まで読み取ることができます。特殊な機器では、1000 分の 1 度まで読み取ることができます。[ 40 ]ただし、この精度は、読み取りが真実または正確であることを意味するのではなく、非常に小さな変化を観察できることを意味するだけです。
既知の固定点に校正された温度計は、その点では正確です（つまり、真の値を示します）。温度を測定する技術の発明により、温度目盛が作成されました。[ 41 ]固定校正点の間では、通常は線形補間が使用されます。[ 39 ]これにより、固定点から遠く離れた点では、異なる種類の温度計間で大きな違いが生じる可能性があります。たとえば、ガラス温度計の水銀の膨張は、白金抵抗温度計の抵抗の変化とはわずかに異なるため、この2つは50 ℃付近でわずかに異なります。 [ 42 ]機器の不完全性による他の原因も考えられます。たとえば、ガラス製液体温度計で毛細管の直径が変化する場合などです。[ 42 ]
多くの用途において、再現性は重要です。つまり、同じ温度計が同じ温度で同じ値を示すか（あるいは、交換用または複数の温度計が同じ値を示すか）ということです。再現性のある温度測定は、科学実験における比較の妥当性や、工業プロセスにおける一貫性を確保します。したがって、同じ種類の温度計を同じ方法で校正すれば、絶対目盛と比較して多少の誤差があっても、その測定値は有効となります。
工業規格に照らして他の温度計をチェックするために使用される基準温度計の例としては、0.1 °C (精度) までデジタル表示できる白金抵抗温度計 があり、これは国家規格 (-18、0、40、70、100 °C) に対して 5 点で校正され、 ±0.2 °C の精度が証明されている 。[ 43 ]
英国規格によれば、正しく校正、使用、保守されたガラス製液体温度計は、 0～100 ℃ の範囲で±0.01℃の測定不確かさを達成でき、この範囲外ではより大きな不確かさ、すなわち200℃までまたは-40 ℃まで±0.05℃、 450℃までまたは-80 ℃まで±0.2℃を達成できる。 [ 44 ]
温度計は、さまざまな物理的効果を利用して温度を測定します。温度センサーは、特に測定システムなど、さまざまな科学および工学アプリケーションで使用されます。温度システムは主に電気式または機械式で、場合によっては制御対象のシステムと分離できないことがあります（ガラス製水銀温度計の場合など）。寒冷地の道路では、路面凍結の有無を判断するために温度計が使用されます。屋内では、エアコン、冷凍庫、ヒーター、冷蔵庫、給湯器などの空調システムにサーミスタが使用されます。[ 56 ]ガリレオ温度計は、測定範囲が限られているため、屋内の空気温度を測定するために使用されます。
このような液晶温度計（感温性液晶を使用）は、ムードリングにも使用されており、水槽の水温測定にも用いられている。
光ファイバーブラッググレーティング温度センサーは、原子炉炉心温度を監視し、原子炉メルトダウンの可能性を回避するために原子力発電所で使用されています。[ 57 ]
ナノサーモメトリーは、サブマイクロメートルスケールの温度に関する知識を扱う新興の研究分野です。従来の温度計では、マイクロメートルより小さい物体の温度を測定できないため、新しい方法と材料を使用する必要があります。ナノサーモメトリーは、このような場合に使用されます。ナノサーモメーターは、発光温度計（光を使用して温度を測定する場合）と非発光温度計（温度測定特性が発光に直接関係しないシステム）に分類されます。[ 58 ]
低温測定専用の温度計。
歴史を通じて、ガリレオ温度計からサーモグラフィーまで、さまざまな温度測定技術が使用されてきました。 [ 45 ] 水銀温度計、赤外線温度計、錠剤温度計、液晶温度計などの医療用温度計は、医療現場で個人の発熱や低体温症を判断するために使用されます。
温度計は食品の安全性において重要であり、41～135 °F（5～57 °C）の温度の食品は、数時間後に潜在的に有害なレベルの細菌増殖を起こし、食中毒につながる可能性があります。これには、冷蔵庫の温度を監視したり、ヒートランプや湯煎で提供される食品の温度を維持したりすることが含まれます。[ 56 ] 調理用温度計は、食品が適切に調理されているかどうかを判断するために重要です。特に、肉用温度計は、肉を安全な内部温度まで調理し、過剰調理を防ぐのに役立ちます。これらは一般的に、バイメタルコイル、熱電対、またはデジタル表示付きサーミスタのいずれかを使用しています。 キャンディ用温度計は、沸騰温度に基づいて砂糖溶液の特定の水分量を達成するのに役立てるために使用されます。
気象学や気候学では、大気や海洋のさまざまな高度において、アルコール温度計、赤外線温度計、水銀温度計、記録温度計、サーミスタ、シックス温度計（最高最低温度計）などが用いられています。航空機は、飛行経路に沿って大気着氷状態が存在するかどうかを判断するために、温度計と湿度計を使用します。これらの測定値は、天気予報モデルの初期値として使用されます。また、寒冷地の道路では着氷状態の有無を判断するために、屋内の空調システムでは温度計が使用されます。
数十年にわたり、水銀温度計は多くの試験研究所で主力製品でした。適切に使用し、正しく
校正すれば
、特定の種類の水銀温度計は非常に正確になります。水銀温度計は、約 -38 ℃ から 350 ℃ までの温度範囲で使用できます。水銀と
タリウムの混合物を使用すると、水銀温度計の低温での使用範囲を -56 ℃ まで拡張できます。(...) それにもかかわらず、
温度測定
の
再現性
と
精度
において、水銀の温度測定特性を模倣する液体はほとんど見つかっていません
。毒性があるとはいえ、ガラス管式温度計（LiG温度計）に関しては、水銀に勝るものはない。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)