熱伝導

まとめ

解説

熱伝導は、物質を構成する粒子（分子、原子、電子）が衝突したり振動したりすることで、エネルギーが隣へと順次受け渡される過程である。固体、液体、気体のいずれにおいても発生するが、特に固体において重要な熱移動の手段となる。

熱伝導の仕組み

非金属の固体では、格子振動（フォノン）によって熱が伝わる。一方で、銅やアルミニウムなどの金属が高い熱伝導率を誇るのは、金属結合の中を自由に動き回れる「自由電子」が熱エネルギーを極めて効率よく運ぶためである。このため、一般に電気をよく通す物質（電気伝導率が高い物質）は、熱伝導率も高い傾向にある（ウィーデマン・フランツ則）。

フーリエの法則

熱伝導による熱の移動速度は、以下の法則によって記述される。

熱流量 $Q = -k A frac{dT}{dx}$
（$k$: 熱伝導率、$A$: 断面積、$frac{dT}{dx}$: 温度勾配）

この式は、熱の伝わりやすさが物質の性質、面積、および温度差に比例することを示している。断熱材などは、内部に空気の層（熱伝導率が極めて低い）を保持することで、この熱移動を最小限に抑える仕組みを利用している。