主な違い – 熱伝導率 vs 熱拡散率
熱伝導率と熱拡散率は、熱物理学と統計物理学で使われる2つの用語です。
熱伝導率は物理学で頻繁に使用される用語であるのに対し、熱拡散率は熱物理学ではあまり使用されない用語です。
物質の熱伝導率は、その物質を通して熱を伝導させる能力を示す尺度です。
一方、物質の熱拡散率は、その物質の熱慣性のことである。
これが、熱伝導率と熱拡散率の大きな違いです。
熱伝導率は、熱拡散率と密接な関係にある。
この2つの量の関係は、式で表すことができます。
この記事では、以下の内容を扱います。
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熱伝導率とは？- 定義、測定単位、式、熱伝導体の特性
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熱拡散率とは？- 定義、測定単位、式、性質
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熱伝導率と熱拡散率の違いは何ですか？
熱伝導率とは
物理学では、熱伝導率とは物質が熱を伝える能力のことである。
熱伝導率のSI単位はワット毎メートルケルビン（W/mK）です。
ある物質の熱伝導率は、温度や熱伝導の方向によって異なることが多い。
熱力学の第二法則によれば、熱は常に高温の領域から低温の領域へ流れる。
つまり、熱の正味の移動には温度勾配が必要なのだ。
物質の熱伝導率が高ければ高いほど、その物質を介した熱伝達率は高くなる。
ある物質の熱伝導率の逆数は、その物質の熱抵抗率として知られている。
つまり、熱伝導率が高ければ、熱抵抗率は低くなる。
材料の熱伝導率(K)は次のように表すことができる。
K(T) = α(T)p(T) Cp(T)
ここで、α(T)は熱拡散率、p(T)は密度、CpTは比熱容量です。
ダイヤモンド、銅、アルミニウム、銀などの材料は熱伝導率が高く、良質の熱伝導体とみなされている。
アルミニウム合金は、特に電子機器のヒートシンクとして広く使用されています。
一方、木材、ポリウレタン、アルミナ、ポリスチレンなどの材料は熱伝導率が低い。
そのため、断熱材として使用される。
また、物質の相が固体から液体、液体から気体、あるいはその逆に変化すると、熱伝導率が変化することがあります。
例えば、氷が溶けて水になると熱伝導率が変化する。
良い電気伝導体は、たいてい良い熱伝導体です。
しかし、銀は電気伝導性が良くても、熱伝導性は比較的弱い。
金属の熱伝導率には電子が主に寄与しているのに対し、非金属の熱伝導率には格子振動やフォノンが主に寄与している。
金属では、熱伝導率は電気伝導率と絶対温度の積にほぼ比例する。
しかし、純金属の電気伝導率は温度の上昇とともに電気抵抗が増加するため、温度が上がると減少する。
その結果、電気抵抗と絶対温度の積、および熱伝導率は温度の増減に関わらずほぼ一定となる。
熱拡散率とは？
物質の熱拡散率は、その物質の熱慣性のことである。
単位体積あたりに蓄積される熱量に対する、物質の熱伝導能力として理解することができる。
物質の熱拡散率は、熱伝導率を比熱容量と密度の積で割ったものと定義できる。
数学的には次のように表すことができる。
α(T)=K(T)/(p(T)Cp(T))
α(T)=熱拡散率
つまり，熱拡散率が高いほど，熱伝導率が高くなる。
したがって、熱拡散率の高い物質は、熱をすばやく通す。
気体の熱拡散率は、圧力だけでなく温度にも大きく影響される。
熱拡散率のSI単位はm2s-1です。
熱伝導率とは異なり、熱拡散率は頻繁に使われる用語ではありません。
しかし、単位体積あたりに蓄えられる熱量に対する物質の熱伝導性を知る上で、重要な物性値です。
パイロリティック・グラファイトの熱拡散率は1.22×10-3 m2/s
熱伝導率と熱拡散率の違い
定義
熱伝導率。
物質の熱伝導率は、その物質を通して熱を伝導する能力の尺度です。
熱拡散率。
熱拡散率は、単位体積あたりに蓄積される熱量に対する、物質の熱伝導能力として理解することができる。
計算式
材料の熱伝導率(K)は次のように表されます。
K(T) = α(T)ρ(T) Cp(T)
ここで、α(T)は熱拡散率、ρ(T)は密度、Cp(T)は比熱容量です。
材料の熱拡散率(α)は熱伝導率で表すと次のようになります。
α(T)=K(T)/( ρ(T) Cp(T) )
で表される。
熱伝導率。
熱拡散率: α
SI単位。
熱伝導率: W/mK
熱拡散率: m2.
外形寸法図
熱伝導率 M1L1T-3Θ-1
熱拡散率: L2.
“Rough Diamond” By Unknown USGS employee – Original source: USGS “Minerals in Your World” ウェブサイト。
画像の直接リンク。
“熱分解黒鉛” (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
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