Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется соотношением:

, (3)

где N - общее число молекул в единице объема; W - энергия поступательного движения молекул, определяемая их скоростью; N -число молекул, обладающих энергией в интервале от W до W+W. Кинетическая и потенциальная энергия вращательного и колебательного движения молекул подчиняется аналогичным закономерностям. Таким образом, температура тела связана со скоростями движения молекул этого тела. Поскольку для данной температуры энергия отдельной молекулы существенно отличается от средней энергии W, то понятие температуры является статистическим и применимо только к объемам, содержащим очень большое число молекул. В пространстве, где имеется значительное разрежение, статистические законы не применимы. Температура в этом случае определяется мощностью пронизывающих пространство потоков лучистой энергии и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

При исследовании высокотемпературной плазмы приходится сталкиваться с понятием электронной температуры, характеризующей поток электронов в плазме. Энергию такого потока обычно выражают в электрон-вольтах, тогда температура частиц с энергией в I эВ будет равна 11606 К.

Все сказанное относится к установившимся процессам в системах. При интенсивных химических, атомных и ядерных реакциях, сопровождающихся быстрым выделением тепловой энергии, нарушается равномерное распределение энергии между отдельными видами движения. Наступает термодинамическая неравновесность. Поэтому в термодинамически неравновесном газе (например, при горении, взрывах, при электрических разрядах и т.п.) существует одновременно много разных температур: температуры частиц (молекулярная, атомная, ионная, электронная), температуры различных степеней свободы движения частиц (поступательная, вращательная, колебательная), а также температуры возбуждения и ионизации. При измерении температуры неравновесных газов или плазмы результаты измерения будут зависеть от того, к какому виду движения и каких именно частиц чувствителен используемый метод измерения.

Таким образом, температура может представлять собой как параметр состояния, определяющий качественную (тепловую) сторону процесса, так и потенциал переноса тепловой энергии, определяющий количественную сторону процесса.

Для измерения температуры необходимо установить температурную шкалу, т.е. точную зависимость между термическими свойствами термометрического тела и его температурой. При этом необходимо, чтобы эта зависимость была близка к линейной, точно воспроизводилась при градуировании и не искажалась из-за воздействия других параметров процесса. В зависимости от используемого термометрического вещества и его свойств различают несколько температурных шкал, основой которых являются две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем. Например, в шкале Цельсия (С), шкале Реомюра (°R) и шкале Фаренгейта, (°F), в качестве основных приняты температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, причем

n°C = 0,8 n°R = (1,8n + 32)°F, (4)

где n – температура, выраженная в градусах.

При построении указанных выше шкал была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100 °С.

Пользуясь вторым законом термодинамики, Кельвин в 1848 году предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств термодинамического вещества, шкалу, получившую название абсолютной термодинамической шкалы. Последняя основывается на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикл Карно), имеющем вид:

Q₁/Q₂=T₁/T₂. (5)

Согласно международному соглашению (1948г.), термодинамическая шкала имеет единственную реперную точку – тройную точку воды, температура которой равна 273,16 К. Любая эмпирическая температурная шкала (например, шкала Цельсия) приводится к термодинамической введением поправок, учитывающих зависимость изменения термометрических свойств от термодинамической температуры. В достаточно широком интервале температур термодинамическая шкала совпадает со шкалой Авогадро, т.е. термодинамическая температура совпадает с газовой, которая измеряется газовым термометром. По газовому термометру построена так называемая международная температурная шкала, практически одинаковая с термодинамической шкалой. Реперные точки соответствуют температуре таяния льда и кипения воды.

Измерение температуры основывается на использовании функциональной зависимости электрических, механических, оптических и др. физических свойств тела. В частности, для измерения температуры широко используются термопарные датчики, работа которых основана на использовании эффекта Зеебека.