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どういった仕組みでおきていることなのでしょうか。熱の伝わりやすさが物質によって違うのは、何が原因なんでしょうか?電流が流れるときのように電子が関係あるのですか?

A 回答 (4件)

> 電流が流れるときのように電子が関係あるのですか?


とありますので,固体の熱伝導に絞って回答します.

熱は分子運動の激しさを表しています.
何らかの手段で,物の一部分だけ分子運動を激しくすると,
いろいろな相互作用のためや,分子(あるいは電子など)が動いてゆくことにより,
分子運動の激しさが他のところに伝わって行きます.
これが熱伝導です.

金属(導体)の場合と絶縁体の場合とでは少し話が違います.

金属では,その内部をほぼ自由に動ける電子(自由電子)があります.
金属の熱伝導はほとんど自由電子が担っています.
自由電子の運動が激しいことが温度が高いことに相当します.
通常の金属の場合,熱伝導率は電気伝導率に比例して大きくなり,
ヴィーデマン・フランツの法則と言われています.
熱伝導率をK,電気伝導率をσとして,K/σ が絶対温度Tに比例し,
しかも比例係数は金属の種類によらない,というものです.
実際,実験でもほぼそうなっています.
これは,通常金属の電気伝導と熱伝導が
共に電子の流れによって担われていることの結果です.
どれくらい熱伝導がいいかは,電子の動きを妨げる作用の大きさで決まります.
これには,不純物や格子振動が関係します.

絶縁体の場合は自由に動ける電子はありません.
絶縁体の熱伝導を担っているのは,格子振動です.
簡単には,格子は原子(あるいは分子)が規則的に並んでいると思って結構ですが,
原子などはその平衡位置を中心にして振動しています.
それが激しければ温度が高い,というわけです.
隣同士の原子の間には相互作用がありますから,
ある場所の原子の振動を激しくすると,だんだん周りにそれが移って行きます.
つまり,熱が伝わります.

概略は jun9031 さんの書かれているとおりですが
> 運動エネルギーが熱エネルギーに変換されています。
はちょっと表現がまずいようです.
分子などの運動エネルギーが平均的に大きいのが温度が高いと言うことですし,
平均的運動エネルギーの大きさが伝わってゆくのが熱伝導です.
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前の方々の説明と同じなのですが、せっかく書いたので載せさせていただきます。



熱って振動ですよね。
1.伝導
だから最も効率よく伝わるのは、強固な共有結合の結晶体=ダイアモンドです。
でも、単結晶ならうまく伝わりますが、多結晶だと境界部でロスしますので、効率落ちるようです。
金属は格子間満たす自由電子が、振動(熱)伝搬の担い手となるようですね。
2.輻射
空間での振動(熱)の伝搬は、電磁波(赤外線)によりますので、効率は悪くなります。
3.対流
空気が断熱性があるのは、気体なので密度が極端に小さいためです。
液体(気体も)は、固体よりもずいぶん自由に動けますので、振動(熱)を効率よく隣の分子に伝えることはできないようですが、振動(熱)を受け取った部分が、自ら移動して振動(熱)を伝えることができます。

木やプラスチックは分子中にソフトな部分とか、振動(熱)を吸収して変化する部分とかをたくさん持っていますので、
伝搬効率は著しく落ちるようです(他の固体と比べてですが)。
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熱は原子(分子)の振動ですから、隣の原子を順々に揺り


動かして伝わっていきます。

金属が熱を伝えやすいのは、おっしゃる通り、自由電子の
働きで説明されています。つまり、自分の持ち場を離れら
れない金属原子は隣にしか振動を伝えられませんが、勝手
に動き回れる自由電子は多くの原子や自由電子に振動を
伝えることができるのです。

液体の熱伝導率が低いのは、効率的に揺り動かせる「お隣
りさん」がいないからですね。ただし液体には「対流」と
いう飛び道具がありますが。
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めちゃくちゃ簡単にいってしまうと分子運動が


伝わっています。運動エネルギーが熱エネルギーに変換されています。
熱いところは速く分子が動いて、隣の分子にぶつかります。
そうするとぶつけられた分子も速く動く出すってわけです。
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