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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?

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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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Q熱伝導率と電気伝導率の関連性について

タイトルにも挙げたように金属や半導体における熱伝導率と電気伝導率はどのような関係を持っているのかがいまいち理解できません。分かる方がいらしたらぜひ教えてください、お願いします。

Aベストアンサー

 物質の熱とは格子振動、つまり原子核の振動なんですが、
それを伝えているのは通常電子なんです。
 熱せられ原子が振動しても、原子核同士が衝突する
わけでなないので、その振動(つまり熱)を伝える
担い手になっているのは、原子核の周りの電子及び電磁波なんです。

 ここでいきなり電磁波が出てきて少しフシギかもしれませんが、
電子も原子核を直接ぶつかっているわけではないので、
電子と原子核のエネルギーの交換の担い手としては電磁波が出てくる
のです。


 鉄を熱すると赤くなりますよね。つまり赤い光が
出てるわけじゃないですか。光ってつまりは電磁波
でしょ。周囲の電子、原子核に伝えても余るエネルギー
は電磁波のまま、物質の外に出てきてしまうわけです。

 熱した鉄に直に手を触れなくても、手を近づけた
だけで暖かく感じるのは、鉄の出す赤外線で熱せられた
空気の振動と、鉄の出す赤外線を直に人の手が
感じるからなんですが、いずれにせよ熱の伝達には電磁波が
つき物なんですが、電磁波は電子の運動で発生するもの。
だから、電子が自由に動ければ電磁波が発生しやすく
その電磁波が回りの電子に影響を与え、その電子が
動きやすければさらに電磁波の発生、そして周囲の格子振動
へと変わっていくわけです。(少しおおざっぱですが)
  動きやすい電子? つまり伝導帯にある自由電子が
多ければそれだけ熱は伝わりやすいのです。

 そのため一般には自由電子密度が大きい物質、つまり
金属は熱の良導体になります。自由電子が電流の
担い手であることはご存知ですね。

 ということで通常は熱の良導体は同時に電気の良導体に
なります。
 
 勿論例外も多々あります。その場合は自由電子が電気を運んで
いないわけです。ですから物質の電気的性質をより深く研究
するときは、その物質の比熱の変化とかいった熱力学的性質を
十分調べるのです。

 物質の熱とは格子振動、つまり原子核の振動なんですが、
それを伝えているのは通常電子なんです。
 熱せられ原子が振動しても、原子核同士が衝突する
わけでなないので、その振動(つまり熱)を伝える
担い手になっているのは、原子核の周りの電子及び電磁波なんです。

 ここでいきなり電磁波が出てきて少しフシギかもしれませんが、
電子も原子核を直接ぶつかっているわけではないので、
電子と原子核のエネルギーの交換の担い手としては電磁波が出てくる
のです。


 鉄を熱すると赤くなりま...続きを読む

Q金属(導体)の熱伝導が半導体や絶縁体より良い理由について質問です。

金属(導体)の熱伝導が半導体や絶縁体より良い理由について質問です。

物理物性に基づく観点で考察しています。

いろいろな文献を調べると、金属の熱伝導が半導体や絶縁体より大きい理由は

熱を加えたとき金属の原子が振動し、自由電子がぶつかることで
この振動している原子のエネルギーが自由電子に移り、この自由電子が
別の原子にぶつかることでその原子にエネルギーを伝えるというのが熱伝導で、
半導体や絶縁体は自由電子がないので金属のほうが大きいから、という解釈です。

しかし、熱伝導は自由電子だけではないと思います。
なぜならば、自由電子だけに依存するなら半導体や絶縁体は熱を伝えません。
しかし、現実には半導体も絶縁体も熱を伝えます。

なぜでしょうか?

愚考してみると、金属の場合は自由電子のほうが大きいウェイトを占めているから気づかないが、
それぞれの原子をつないでいる格子?のようなものが振動することで
さもバネのように熱を伝えるので、自由に動ける自由電子より遅いのではないか。
と、思いつきました。

実際はどうなんでしょうか?

Aベストアンサー

おっしゃる通り、不良導体も熱を伝えそれはいわゆる「格子緩和」という方法で行われます。
非結晶のものもありますが、簡単のため結晶に限って述べると、原子-原子間距離が変わる振動のかたちで起こります。
ただ、その速度は電子を媒体とする金属に比べ圧倒的に小さいのです。

Q熱の正体は分子の振動、ではそのエネルギーの正体は?

 熱の正体は、分子の振動!よく解りました。
では、分子を振動させるエネルギーの正体とは
一体なんなのでしょうか?分子が振動させるた
めには、どのような作用が働くのでしょうか?
エネルギーって、言葉自体が漠然としていませ
んか?イメージ出来ません。ぜひ又、ご教示を!

Aベストアンサー

エネルギーというのは、簡単に言うと”潜在能力”といっていいと思います。つまり、「エネルギーが在る」とは、「何かをし得る能力が在る」と翻訳できると思います。でも、直感的には「何かをする」には「何らかの力が働く」と考えるのが普通でしょうね。

で、おたずねの件の「分子を振動させる作用」ですが、このように考えたらどうでしょう?

化学結合している2原子分子、A-Bが真空中に在るとします。イメージ的には、バネでつながった2つの球を考えて下さい。
このままでは、振動は”しない”はずで、A-B 間の距離も変化しないでしょう(原子は大きいので、零点振動は無視しますね)。この時のA-B 間の相対位置を基準位置とします。この分子にとっては、この相対位置が安定なのです。

この分子が振動するには、何らかの力が必要です。叩いてもいいし、どうにかして分子中の電子分布を変化させてもいい。そのような何らかの力によって初速度?をもった分子は、”基準位置に戻ろう”とします。つまり、分子は何らかの力を受けたため安定でなくなり、”安定になろうとする能力”、すなわち”エネルギー”を受けたことになります。あとは振り子の場合と同じで、「運動エネルギー」と「位置エネルギー」の交換が起き続けることになります。これが振動の原理ということになります。まあ、巨視的な振動と基本的には同じですね。

最初の初速度は何によってもたらされたのかは、たぶん宇宙誕生と関わりが在ることなのでしょうね。そちらは専門ではないので、代わりにこのような分子の振動が変化する場合はどういう場合かついて2つ述べましょう。

まず一つは、atsuotaさんと同じく、分子間の衝突が上げられますね。

もう一つは、光(=電磁波;分子の振動に対しては、赤外線)によるものです。これは、分子が荷電粒子(電子・陽子)の集合体であるためで、それらと電磁波における”(振動)電場”とが相互作用します。

エネルギーというのは、簡単に言うと”潜在能力”といっていいと思います。つまり、「エネルギーが在る」とは、「何かをし得る能力が在る」と翻訳できると思います。でも、直感的には「何かをする」には「何らかの力が働く」と考えるのが普通でしょうね。

で、おたずねの件の「分子を振動させる作用」ですが、このように考えたらどうでしょう?

化学結合している2原子分子、A-Bが真空中に在るとします。イメージ的には、バネでつながった2つの球を考えて下さい。
このままでは、振動は”しない”はずで、A...続きを読む

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またこの熱伝導率と電気伝導率の関係性は物理的に解明されているのでしょうか。
 

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Aベストアンサー

これは役に立ちますか。。。
●http://next1.cc.it-hiroshima.ac.jp/MULTIMEDIA/diffpub/node79.html

●http://www12.plala.or.jp/ksp/formula/physFormula/html/node66.html

●http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E4%BC%9D%E5%B0%8E


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