Nunca trabalhei com Eloquent conectado em um mongoDB, mas em uma base SQL seria algo assim

$tempeatura_media = Tempeature::query()
                ->where('campo_timestamp_com_o_momento_do_registro', '>', Carbon::now()->subHours(3) ) //dados das ultimas 3 horas
                ->avg('campo_com_o_valor_da_temperatura');

Testa isso e dá um feedback.. se não funcionar a gente busca junto como fazer isso no Mongo.