金属の熱伝導性：異なる材料を通過する熱の流れ
熱伝導率は、材料が自身を移動させずに熱を一点から別の点へと伝達する能力を測定する特性です。これは、材料の構造、組成、温度などの要因に依存します。この記事では、金属の熱伝導率について焦点を当てます。金属は、高い電気伝導性と熱伝導性、および高密度を持つ固体です。
金属とは何か？
金属は、結晶構造を持ち、原子が規則的なパターンで配置された固体材料として定義されます。原子は核とその周囲の電子殻で構成され、これらの電子は核に強く結合しています。しかし、最も外側のいくつかの電子は金属全体を自由に動き回ることができ、電流と熱エネルギーを運ぶ電子の海を形成します。
金属には、高い強度、延性、可鍛性、光沢、そして反射率など、多くの有用な特性があります。また、金属は優れた電気伝導体であり、熱伝導体でもあります。つまり、これらはエネルギーを効率的かつ迅速に伝達することができます。
金属中の熱伝達の仕組み
熱伝達は、高温領域から低温領域へと熱エネルギーを移動させるプロセスです。熱伝達には主に3つのモードがあります：伝導、対流、放射。
伝導は、固体において、原子や分子間の直接接触を通じて熱が流れることを指します。対流は、液体またはガス（流体）において、流体粒子の運動を通じて熱が流れるモードです。放射は、光や赤外線などの電磁波を通じて熱が伝達されるモードです。
金属では、熱伝達は主に伝導によって起こります。なぜなら、金属は固体であり、多くの自由電子を持っているからです。自由電子は金属全体をランダムに動き回り、他の電子や原子と衝突して運動エネルギーと熱エネルギーを伝達します。金属が持つ自由電子が多いほど、熱伝導率が高いです。
金属の熱伝導率に影響を与える要因は何ですか？
金属の熱伝導率は、以下の要因により影響を受けます：
自由電子の種類と数：自由電子が多い金属ほど熱伝導率が高く、より多くの熱エネルギーを運ぶことができます。例えば、銀は金属の中で最も高い熱伝導率を持ち、その後に銅と金が続きます。
原子質量とサイズ：重くて大きい原子を持つ金属は、振動が遅く自由電子の運動を妨げるので、熱伝導率が低いです。例えば、鉛は金属の中でも熱伝導率が低くなっています。
結晶構造と欠陥：より規則的で密接な結晶構造を持つ金属は、電子の流れに対する抵抗が少ないため、熱伝導率が高いです。例えば、立方体構造を持つ金属は六方晶構造を持つ金属よりも熱伝導率が高いです。不純物、空孔、位相境界などの欠陥も、電子を散乱することで金属の熱伝導率を低下させます。
温度：金属の熱伝導率は、熱伝達の主要なメカニズムによって異なる方法で温度とともに変化します。純粋な金属や合金の場合、熱伝達は主に自由電子によるものです（電子伝導）。温度が上昇すると、自由電子の数と格子振動が増加します。したがって、金属の熱伝導率は温度が上昇するとわずかに減少します。絶縁体や半導体の場合、熱伝達は主に格子振動によるものです（フォノン伝導）。温度が上昇すると、格子振動が大幅に増加し、電子をより頻繁に散乱します。したがって、絶縁体や半導体の熱伝導率は温度が上昇すると急速に増加します。
ヴィーデマン・フランツの法則とは？
ヴィーデマン・フランツの法則は、特定の温度での金属の電気伝導率と熱伝導率を関連付ける関係です。それは次のように述べています：
σK=LT
ここで、
K は W/m-K での熱伝導率
σ は S/m での電気伝導率
L はローレンツ数で、2.44 x 10^-8 W-オーム/K^2 という定数
T は K での絶対温度
この法則は、電気伝導率と熱伝導率の両方が自由電子に依存するため、電気伝導率が高い金属は熱伝導率も高いことを意味します。また、金属の熱伝導率と電気伝導率の比率は、金属の温度に比例することも示唆しています。
ただし、この法則にはいくつかの制限があります。これは非常に高温または低温の条件下での純粋な金属や合金にのみ適用されます。電子伝導がフォノン伝導を上回る絶縁体や半導体には適用されません。また、ベリリウムや純粋な銀などの一部の金属にも適用されません。
一般的な金属の熱伝導率の値は何ですか？
金属の熱伝導率は、金属の種類と純度によって大きく異なります。以下は、室温（25°C）におけるいくつかの一般的な金属の熱伝導率の例を示した表です。
