팽팽하게 부풀어 있던 풍선은 냉장고 속에 넣어 두었다가 꺼내면 쭈그러든다. 겨울철에 딱딱하던 아스팔트길은 더운 여름 한낮이 되면 물렁물렁하게 변하고, 컵에 물을 담아 겨울철 영하의 날씨 속에 밤새도록 밖에 놓아두면 얼음이 된다. 그리고 차가운 방 한쪽 구석에서 난로를 지피면 잠시 후에 온 방안이 서서히 더워진다. 또한 외부 온도와 관계없이 우리 몸은 거의 일정한 체온을 유지한다. 우리의 몸은 효율적인 체온조절 기능을 가지고 있지만, 때로는 외부의 도움을 필요로 할 때도 있다. 먼저 온도계의 눈금과 온도를 재는 방법을 포함한 오도에 대한 정의를 하고, 온도의 변화에 따른 물체의 길이와 부피의 변화에 대해 논할 것이다. 또한 온도 창이에 따른 에너지 전달을 기술하는 열을 배우고, 이상기체의 열적인 상태를 온도와 압력, 부피 등의 거시적인 양들로 어떻게 표현하는지에 대해 공부할 것이다. 특히 열역학이라는 주제의 기본이 되는 열역학법칙들을 이해하기 위해 열평형과 열역학 제0법칙 등을 먼저 이해하자. 마지막으로 기체분자의 열평형 상태를 미시적인 관점에서 다루는 기체운동록을 공부함으로써 거시적인 열에너지가 미시적인 기체분자의 운동에너지와 어떻게 연관되는 지를 이해하도록 한다.
온도는 우리의 감각이 뜨겁고 차갑게 느끼는 정도와 관련되어 있다. 뜨겁다고 느껴지는 물체는 차갑게 느껴지는 물체보다 온도가 높다. 보통 우리의 감각은 온도의 정성적인 지표를 제공해 준다. 그러나 우리의 감각이 항상 정확한 것은 아니다. 예를 들면 추운 겨울날 바깥에 있는 금속 문고리와 나무 문고리는 동일한 온도상태에 있음에도 불고하고 금속 문고리가 나무 문고리보다 손에 더 차갑게 느껴진다. 이것은 금속이 나무보다 열전도가 잘 일어나서 금속 문고리가 나무 문고리보다 더 효율적으로 우리 손으로부터 에너지를 전달받기 때문이다. 측정할 수 있는 물질의 여러 가지 성질도 온도에 의존한다. 금속막대의 길이, 보일러의 증기압, 전류가 흐르는 전선의 전도도, 뜨겁게 작렬하는 물체의 색깔 등 많은 것들이 온도에 의존한다. 따라서 우리가 필요로 하는 일은 물질의 상대적인 "뜨거움"과 "차가움"의 설정에 대한 실뢰할 수 있고 재현성 있는 방법을 찾는 것이다. 이러한 온도의 양적인 측정을 위해 여러 가지 온도계가 개발되어 왔다. 또한 온도는 물질을 이루는 분자의 운동에너지와 연관되어 있지만, 온도와 열은 본질적으로 거시적인 개념이다. 이것은 분자들의 세부적인 상태와는 무관하게 정의될 수 있고 또 그렇게 되어야 한다. 이 절에서는 온도를 거시적으로 설명한다. 물체의 온도를 측정하기 위해서는 온도계를 물체와 접촉시켜야 한다. 이를 열접촉이라 하고, 열접촉은 물리적으로 두 물체가 접촉하여 서로 상호작용 함으로써 그들 사이에 에너지의 교환이 일어나는 상태를 의미한다. 두 물체의 온도가 달라서 온도차이 때문에 두 물체 사이에 교환되는 에너지를 열이라 한다. 우리는 경험적으로 서로 다른 온도의 두 물체가 접촉하여 시간이 흐르면 결국 어떤 중간 온도에 도달하는 것에 익숙하다. 예로서 한 잔의 뜨거운 커피 속에 얼음 덩어리를 넣는다면, 결국 얼음은 녹게 되고 커피의 온도는 내려가서 얼음과 커피 간의 상호작용이 더 이상 전체 얼음-커피 계를 변화시키지 않는 어떤 평형상태에 도달하게 된다. 서로 열접촉 상태에 있는 두 물체가 열의 교환을 끝낸 상태, 즉 더 이상 전체 계가 열적으로 변화하지 않는 평형상태를 열평형 상태라고 부른다. 서로 열접촉 상태에 있지 않은 두 물체 A와 B, 그리고 세 번째 물체로 온도계 C를 생각하자. 온도계는 먼저 열평형에 도달할 때까지 물체 A와 열접촉해 있다가 열평형에 도달한 후에 온도계의 눈금이 변하지 않게 되면 그것을 기록한다. 그다음 온도계는 물체 B와 열접촉을 하여 열평형에 도달하면 다시 그 온도를 기록한다. 만일 기록한 두 온도가 같으면 A와 B는 서로 열평형 상태에 있다고 할 수 있다. 이것을 열역학 제0 법칙이라 부른다. 즉 만일 물체 A와 B가 각각 세 번째 물체 C와 열평형 상태이면, A와 B는 서로 열평형 상태이다.
이 결과 간단하고 당연해 보이지만 실험에 의해 엄밀히 증명될 필요가 있고, 실험 결과는 이 진술을 뒷받침해 준다. 열역학 제0 법칙은 온도를 정의하는 데 사용될 수 있기 때문에 매우 중요하다. (이 법칙의 중요성은 열역학에 관한 제1, 제2, 제3 법칙이 모두 이름 붙여진 후에 인식되었다. 그런데 이 법칙이 다른 세 법칙들보다 더 기본적이므로 제0 법칙이라 불리게 되었다.) 우리는 온도를 한 물체가 다른 물체와 열평형에 있는지 아닌지를 결정하는 특성으로 간주할 수 있다. 따라서 두 계가 열평형 상태에 있으면 온도가 같다. 역으로 온도가 같으면 두 계는 열평형 상태에 있다고 결론지을 수 있다.
온도계는 한 계의 온도를 측정하는 장치이다. 모든 온도계는 온도에 따른 몇 가지 물리적 특성의 변화를 이용한다. 온도에 따른 물리적 특성들은 액체 부피의 변화, 고체 길이의 변화, 일정부피에서의 기체 압력의 변화, 일정압력에서의 기체 부피의 변화, 전도체의 전기저항 변화, 매우 높은 온도에서 물체의 색 변화 등이 있다. 어떤 종류의 온도계이든지 온도 눈금은 이러한 물리적 양들의 어느 하나에 기초를 두어 설정될 수 있다. 보통 수은이나 알코올 온도계는 온도에 따른 액체 부피의 변화를 이용한다. 1 기압에서 열평형에 있는 물과 얼음의 혼합상태 온도를 섭씨 영도로 정의한다. 이 온도가 물의 어는점이다. 또 1 기압에서 열평형에 있는 물과 증기의 혼합상태 온도를 섭씨 백도라고 정의한다. 이 온도가 물의 끓는점이다. 이 특별한 두 온도일 때의 액체 기둥 높이를 각각 눈금으로 설정하고, 두 눈금 사이의 간격을 100 등분으로 동일한 간격으로 나누면 이것이 섭씨온도눈금이다.
