熱伝導体は、その構造が熱を簡単に通過できるようになっている材料です。すべての物質が一定の振動運動をする原子と分子で構成されていること、および熱がこれらの粒子のより大きな撹拌につながることを覚えておく必要があります。
一部の材料は、内部構成がこのエネルギーフローを促進するため、他よりも熱を伝導します。たとえば、木材は加熱に時間がかかるため、熱の伝導が良くありません。しかし、その一方で、鉄、銅、その他の金属は、その粒子が非常に速く運動エネルギーを獲得することを意味します。
コンピュータチップに使用されているサーマルグリースは、熱を伝導しますが、電気を伝導しません。出典：ウィキメディア・コモンズ。
これが金属が鍋やフライパンなどの台所用品を作るためのお気に入りである理由です。それらは急速に加熱され、食品が適切に調理するのに十分高い温度に達します。
ただし、ハンドルやユーザーの手に触れるハンドルは、他の断熱材で作られています。このように、鍋は熱いときでも扱いやすいです。
導体の種類
熱の伝導方法に応じて、材料は次のように分類されます。
- 熱伝導体：特に、ダイヤモンド、銅、鉄、亜鉛、アルミニウムなどの金属。通常、電気の良導体は熱の良導体でもあります。
- 断熱材：木材、ゴム、ガラス繊維、プラスチック、紙、ウール、アニメ、コルク、ポリマーが良い例です。ガスも良い導体ではありません。
材料の熱伝導率
それぞれが熱を伝導する方法を本質的に特徴付ける特性は、熱伝導率と呼ばれます。物質の熱伝導率が高いほど、熱伝導率が高くなります。
物質の熱伝導率は実験的に決定されます。SI国際単位系では、熱伝導率はワット/（メートルxケルビン）またはW /（mK）で測定されます。次のように解釈されます。
アングロサクソン諸国で使用されている熱伝導率のもう1つの単位はBTUH /（ft.ºF）で、BTUHは1時間あたりの英国熱量単位を表します。
両端に温度差がある場合、熱は固体を流れます。出典：ウィキメディア・コモンズ。
熱伝導率の値
以下は、自然界で見られ、業界で頻繁に使用されているいくつかの要素と材料の熱伝導率です。
ただし、まだ実験段階にある合成化合物があり、その熱伝導率は表の先頭にあるダイヤモンドの熱伝導率をはるかに超えていることに注意してください。
温度は金属の熱伝導率の値で決定的です。温度が上昇すると、熱伝導率も上昇します（ただし、電気伝導率は低下します）。非金属の場合、熱伝導率は広い温度範囲でほぼ一定です。
表の値は、25ºC、1気圧での仕様です。
熱特性の材料を選択するときは、熱で膨張することを考慮する必要があります。この容量は熱膨張係数によって与えられます。
主な熱伝導体
ダイヤモンド
ダイヤモンドは自然界で最高の熱伝導体です。出典：Wikimedia Commons経由のRobert Lavinsky。
これは室温で最高の熱伝導体であり、銅やその他の金属よりもはるかに優れています。電気絶縁体であるダイヤモンドでは、熱は伝導電子を介してではなく、高度に組織化された結晶構造の振動の伝播を介して流れます。これらの振動はフォノンと呼ばれます。
また、熱膨張係数が低いため、加熱しても寸法は元の寸法に近くなります。電気を通さない優れた熱伝導体が必要な場合は、ダイヤモンドが最適です。
その結果、コンピュータやその他の電子機器の回路で発生する熱を除去するために広く使用されています。しかし、これには大きな欠点があります。非常に高価です。合成ダイヤモンドはありますが、簡単に作ることができず、また高価です。
銀
銀貨
光沢、色、展性があるため、装飾用として高く評価されています。それは酸化に耐性があり、すべての金属の中で最高の熱伝導率と優れた電気伝導率を備えています。
このため、単独でもニッケルやパラジウムなどの他の元素との合金でも、業界で複数の用途があります。
純銀のプリント回路を使用して、高温超電導ケーブルが作成され、電子接点で使用される導体に加えて、電子機器で使用される導体がコーティングされます。
これは比較的希少で高価であることの欠点がありますが、非常に柔軟性があり、長さの良い導体が得られるため、これらのアプリケーションの物理特性の独自の組み合わせにより、優れた代替品となります。
銅
銅線
腐食しにくく、融点が高く、熱にさらされても溶けにくいため、熱伝導性が求められる場合に最もよく使われる金属のひとつです。
それが持つ他の利点は、磁性ではないことに加えて、その延性です。銅はリサイクル可能で、銀よりもはるかに安価です。ただし、熱膨張係数が高いため、加熱すると寸法が大きく変化します。
その優れた熱特性のために、例えば鋼で覆われた銅鍋などの台所用品で広く使用されています。また、温水タンク、セントラルヒーティングシステム、車のラジエーターで熱交換器を製造したり、電子機器で熱を放散したりします。
ゴールド
プレヒスパニックゴールドマスク
それは貴金属の卓越性であり、人類の歴史の中で圧倒的な位置を占めています。この特別な意味は別として、金は順応性があり、耐性があり、熱と電気の優れた導体です。
金は腐食しないので、固体電子部品に小さな電流を流すために使用されます。これらの電流は非常に小さいので、腐食のわずかな兆候でも簡単に中断できます。そのため、金は信頼性の高い電子部品を保証します。
また、ヘッドフォンコネクタ、接点、リレー、パッチケーブルの製造にも使用されます。スマートフォン、電卓、ラップトップおよびデスクトップ、テレビなどのデバイスには、少量の金が含まれています。
空調スペース用の特別なガラスには、分散した金が含まれているため、太陽の放射を外部に反射し、非常に暑いときでも内部の鮮度が保たれます。同じように、彼らはそれが冬であるときに建物の内部の熱を維持するのに役立ちます。
リチウム
リチウムイオン電池。作者：ちゅららさんさん。Lithium_Battery * 2005年8月、撮影日*撮影者Aney。出典：ウィキメディア・コモンズ。
すべての金属の中で最も軽いですが、非常に反応性が高いため、腐食しやすくなっています。また、引火性が高いため、取り扱いには十分注意してください。このため、豊富ではあるものの、遊離状態ではなく化合物中に存在するため、一般的に電解法で分離する必要があります。
その熱伝導率は金の熱伝導率に似ていますが、これよりはるかに安価です。炭酸リチウムは、耐熱ガラスやセラミックスの製造に使用される化合物です。
リチウムのもう1つの広く使用されているのは、金属リチウムを抽出するために塩化リチウムが使用される、長持ちする軽量のバッテリーの製造です。アルミニウムの処理に追加され、導電率を高め、動作温度を下げます。
アルミニウム
アルミ金属製バケツ。出典：Carsten Niehaus
この軽量、安価、高耐性、そして加工が容易な金属は、エアコンやヒーターなどの空調機器の熱交換器を作るために使用される主要な材料の1つです。
家庭用および産業用の両方で、アルミニウム器具は世界中のキッチンで広く使用されています。
鍋、フライパン、天板などのアルミニウム器具は非常に効率的です。食品の風味を変えず、調理時に熱が素早く均一に広がるようにします。
とにかく、アルミニウム製の鍋やフライパンはステンレス鋼に置き換えられており、熱伝導性が劣ります。これは、ステンレス鋼がトマトソースなどのより強い酸と反応しないためです。
そのため、アルミニウムが食品に混入するのを防ぐために、鉄製の調理器具でトマトソースを作るのが好ましいのです。しかし、ほとんどの専門家とFDAはこの仮説を拒否しています。
手前のアルミ鍋。出典：Pixabay。
陽極酸化アルミニウム製の調理器具は、アルミニウム粒子を放出するリスクがなく、原則としてより安全に使用できます。
ブロンズ
これらの古代の鐘の青銅は、装飾または宗教的な目的のための金属の有用性を示しています。出典：Pxhere。
ブロンズは、主に銅とスズの合金ですが、他の金属との合金はそれほど多くありません。人類の歴史には古くから存在しています。
人類がこの合金の特性を発見して使用し始めた時代である青銅器時代として、先史時代の名前が付けられたことも非常に重要です。
ブロンズは腐食に強く、取り扱いが簡単です。当初は、さまざまな道具、道具、宝石、美術品（彫刻など）、武器の製造、およびコインの造幣に使用されていました。今日でもパイプ、機械部品、楽器の製造に使用されています。
亜鉛
酸化亜鉛の入った時計皿。出典：AdamRędzikowski
非常に展性があり、延性のある青みがかった白の金属で、融点は低くなりますが、取り扱いが簡単です。古くから知られ、主に合金に使用されています。
現在、鋼に亜鉛メッキを施して腐食から保護しています。また、電池、顔料、建設業界向けの特殊亜鉛シートの製造も行っています。
鉄
磁石の鉄やすり。出典：Commons Wikimedia経由のAney。
鉄は歴史的に重要なもう一つの金属です。ブロンズと同様に、鉄は、テクノロジーの大きな進歩が起こった先史時代の段階である鉄器時代と関連しています。
今日、鋳鉄は、工具や調理器具を製造するために、また自動車部品の製造のための材料として、多くの用途を持っています。
私たちが見てきたように、鉄は非常に優れた熱伝導体です。鉄の物体は熱を非常によく分散させ、それを長期間保持します。また、融点が高く、高温に耐性があるため、工業用および家庭用のすべてのタイプのオーブンの製造に有用です。
参考文献
- CK-12。熱伝導体および絶縁体。リカバリー元：ck12.org。
- 銅：プロパティとアプリケーション。回収元：copperalliance.org。
- エファンダ。コモンズ固体材料の特性。efunda.comから復元
- ヒル、D。鋳鉄の熱特性。から回復：ehow.com。
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- リチウム。回復：gob.mx。
- 再創造的な物理学。熱伝達。から回復：fisicarecreativa.com。
- ウィキペディア。熱伝導率のリスト。回復元：es.wikipedia.org。