熱伝導の背後にある力とその応用方法
熱伝達は、この地球上のすべての反応を推進する主要な物理的力の1つです。 熱力学の法則によって支配され、熱伝達によってエネルギーが利用され、無数の日常システムを動かすことができます。 熱伝導のメカニズムは、熱力学の第一法則によって説明される。 この法則では、エネルギーは創造も破壊もできず、システム間の移動のみが可能であるとされています。 2つのシステム間でエネルギーが伝達されると、必然的に一部のエネルギーが周囲の環境に失われます。 この失われたエネルギーは、熱の形で発生し、熱エネルギーとも呼ばれます。
熱伝導の方法
熱伝導には3つの方法があります。
輻射は、電磁波を利用して熱を伝えるもので、物質間の相互作用を伴わない。
対流とは、液体や気体の中で起こるもので、流体の動きによって熱がある場所から別の場所に移動することを言います。
対流は液体や気体の中で発生し、流体の動きによって熱がある場所から別の場所へ移動することを表します。 高温の流体は上昇し、その上にある低温の流体を熱源に向かって押し下げるように移動します。 この冷たい流体は加熱されて上昇し、高熱の領域から低熱の領域への流体の一定の流れを作ります。 対流は、ベースボード・ラジエーターが部屋全体を暖める仕組みを説明しています。
伝導による熱の移動は、2つの物質間の表面接触による熱の移動を意味します。 物質の交換はなく、エネルギーのみが交換されます。 このタイプの熱伝達は、固体物質で発生し、粒子の振動によって引き起こされます。 エネルギーの流れにさらされると、固体中の粒子が動き出し、回転し、振動して運動エネルギーを生み出します。 伝導の一般的な例は、コンロで鍋を加熱するプロセスです。 バーナーからの熱が直接鍋の表面に伝わります。 温度とは、物質中の粒子が処理した運動エネルギーの量を示す指標である。
Figure 1: Mechanisms of Heat Transfer diagram
Heat Transfer in Metals
高い運動エネルギーを持つ物質は、高い熱伝導率を持ちます。 熱伝導率とは、物質がどれだけ効率よく熱を伝えることができるかを示すものです。 熱伝導率は、温度勾配と比較したときの単位面積あたりのエネルギーフローの割合で定義されます。
冷えたタイルの上を素足で歩くと、常温のカーペットの上を歩くよりもずっと涼しく感じるのは、この熱伝導率のおかげです。
熱伝導率の高い物質の例として、金属がありますが、これは熱を素早く伝えることができます。
熱を素早く伝えることができる熱伝導率の高い素材として、金属が挙げられます。 この自由電子が他の粒子と急速に衝突することで、金属の内部構造がより速く振動し、より速く加熱されます。
銅、アルミニウム、銀などの金属は、温熱機器や工具などによく使われています。
銅やアルミ、銀などの金属は、温熱機器やツールによく使われています。 アルミは銅と熱的特性が非常に似ているため、同じ機能を持たせるためにコストパフォーマンスの高い代替品として使用されることが多い。 銀は、熱用途に最も広く使用されている金属の一つです。 アメリカで生産される銀の35％以上は、電子機器や電気製品に使用されています。 銀の需要は、太陽電池パネルの製造に不可欠な要素となっているため、増加し続けています。 また、ダイヤモンドのような熱伝導性の高い素材も、多くの実用的な用途があります。
図2: 銀で頻繁に製造される標準的な太陽電池パネル
非金属における熱伝導
非金属材料は、フォノンを利用して、冷たい部分から温かい部分へと勾配に沿って熱を伝えます。 プラスチック、発泡体、木材などは、熱伝導率の値が低い材料の例です。 これらの材料は絶縁体と呼ばれ、熱の流れを制限することができる。 断熱材は、エネルギーが環境に失われるのを防ぐために、非常に有用な用途が数多くあります。 発泡体は、住宅や建築物の断熱材として非常に有用です。 家庭用エネルギーの50％以上は、家の冷暖房に使われています。 熱伝導率の高い素材を住宅の断熱材として使用することで、建物の冷暖房に必要なエネルギー量を大幅に削減することができます。
結論
熱伝導率は、何千もの生産システムが適切かつ効率的に機能するために、非常に重要な材料特性です。 すべての生態系において、熱は失われたエネルギーの形で常に交換されています。 熱エネルギーを利用して工業的・実用的なプロセスを行うことで、優れた省エネ技術が生まれ、日々活用されています。 熱の移動方法には、伝導、放射、対流があります。 試料の熱伝導率に影響を与える要因としては、構造、密度、材料組成などが挙げられる。 熱伝導率の値が高い材料や低い材料は、日常のさまざまな用途に使用されています。 非常に過小評価されていますが、熱伝導と熱交換がなければ生活は成り立ちません。
著者。 Kallista Wilson｜ジュニアテクニカルライター｜Thermtest｜
著者