Galileo baute in den 1590er Jahren das erste Thermoskop — eine Glaskugel, deren Luft sich beim Erwärmen ausdehnte und beim Abkühlen zusammenzog und so eine Flüssigkeitssäule auf- oder absteigen ließ. Es war qualitativ; es sagte einem, ob etwas wärmer wurde, nicht um wie viel. Die Erfindung der Temperatur als messbarer Zahl verlangte feste Bezugspunkte (Celsius Schmelz-/Siedepunkt, Fahrenheit) und eine Skala zwischen ihnen. Die tiefere Frage, was Temperatur eigentlich ist, klärte sich erst mit der kinetischen Gastheorie im späten neunzehnten Jahrhundert. Die Temperatur, so stellte sich heraus, misst die mittlere kinetische Energie der mikroskopischen Zufallsbewegung. Kalt heißt langsam; heiß heißt schnell.
Temperatur ist die Eigenschaft eines Systems im thermischen Gleichgewicht, die festlegt, ob es Wärme gewinnt oder verliert, sobald es mit einem anderen System in Kontakt kommt. Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik formalisiert das: stehen zwei Systeme je mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht, so stehen sie es auch untereinander — die Transitivität, die Temperatur überhaupt zu einer wohldefinierten Größe macht. Wärme (Q) ist Energie im Übergang zwischen Systemen unterschiedlicher Temperatur. Die kinetische Gastheorie (Maxwell, Boltzmann) lieferte die mikroskopische Deutung: in einem idealen Gas beträgt die mittlere kinetische Energie pro Molekül (3/2)·k_B·T, mit T als absoluter Temperatur (Kelvin) und k_B ≈ 1,381 × 10⁻²³ J/K als Boltzmann-Konstante. Temperatur ist nichts anderes als ein skaliertes Mittel der mikroskopischen Bewegung. Die Kelvin-Skala (Lord Kelvin, 1848) setzt die Null an den absoluten Nullpunkt, an dem (klassisch) jede Bewegung erlischt; der dritte Hauptsatz lautet: der absolute Nullpunkt lässt sich in endlich vielen Schritten nicht erreichen. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik — Energieerhaltung einschließlich der Wärme — heißt ΔU = Q − W. Die spezifische Wärmekapazität (Energie, um eine Masseneinheit um ein Grad zu erwärmen) variiert dramatisch: die ungewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität des Wassers macht die Ozeane zum thermischen Schwungrad des Planeten. Die latente Wärme — bei einem Phasenübergang ohne Temperaturänderung aufgenommen oder abgegeben — erklärt, weshalb Eiswasser bei 0 °C bleibt, solange das Eis schmilzt. Der Carnot-Kreisprozess (Sadi Carnot, 1824) zeigte, dass keine Wärmekraftmaschine besser sein kann als der Carnot-Wirkungsgrad (1 − T_kalt/T_heiß) — eine obere Schranke, an die keine Konstruktion herankommt.
Das Klima ist ein gigantisches Wärmetransport-Problem: Sonnenstrahlung herein, Infrarotstrahlung hinaus, mit Flüssen durch Atmosphäre, Ozeane, Eis und Biosphäre. Das thermische Management gehört zu den größten Ingenieurdisziplinen: Kühlung von Rechenzentren (heute mehrere Prozent des globalen Strombedarfs), Wärmetauscher in Chemieanlagen, Kältekreisläufe in den Lieferketten von Lebensmitteln und Pharma, Kühlkörper auf jedem Chip. Die Kryotechnik ermöglicht supraleitende Magnete (MRT, Teilchenbeschleuniger), rauscharme Sensoren (LIGO) und das Quantencomputing (die meisten Architekturen brauchen Millikelvin). Die Thermografie zeigt Wärme unmittelbar. Galileos Beobachtung von 1592 — dass sich Dinge beim Erwärmen ausdehnen — ist heute der Eingang zu einem der am gründlichsten durchkonstruierten Zweige der angewandten Physik.