熱は温度差によって移動します。熱の伝わり方は非常に複雑な現象の組み合わせですが、この現象は３つに分けられます。固体・液体・気体で少し事情が変わります。
1）熱伝導：主に固体内部において、分子・原子が運動することで、高温から低温に熱が移動する現象
2）対流（対流熱伝達）：液体や気体の熱膨張により発生する流れに伴い、熱が移動する現象。自然対流と強制対流があり、強制対流はファン等で発生させる場合もある。
3）熱放射（熱輻射）：物体から放射される赤外線により、熱が移動する現象。熱量は発熱体の絶対温度の4乗と周囲温度の絶対温度の4乗の差に比例する。
以上の３つの移動形態が、組み合わさっておこります。
熱伝導とは？
■熱伝導とはどんな現象︖
熱伝導は、⽇々の⽣活の中でも起きている現象で、例えば、凍ったアイスクリームに⾦属製のスプーンを⼊れると手の熱が金属製スプーンを介し、アイスに伝わって溶ける現象は熱伝導です。
簡単に⾔うと、物体内部で温度差が⽣じている時に熱が高温から低温へ移動する現象です。熱の伝わりやすさを数値化した値を「熱伝導率（熱伝導度）」といい、単位は、W/(m·K)で表します。また、「気体<液体<固体」という順で熱伝導率が⼤きくなります。
■熱伝導による物体の加熱と冷却の仕組みとは︖
例えば、物体を加熱するとそのエネルギーにより物体の原⼦・分⼦が活発に運動することで⾼温になります。⼀⽅で物体を冷却すると物体の原⼦・分⼦の運動が⼩さくなるため低温になるのです。
では、高温の物体と低温の物体同⼠をくっつけるとどうなるでしょうか。
この場合、高温の物体から低温の物体に熱エネルギーが移動することで、高温の物体側の原子・分子の動きは徐々に鈍くなり、一方で低温の物体側の原子・分子の動きは徐々に活発になり、最終的には、熱のつり合いが取れ、熱の移動が終わります。
■熱伝導と熱伝達は違う
熱伝導と熱伝達は、似ているようで異なる現象です。熱伝導は、冒頭で説明した通り、物体内部で温度差が⽣じている時に熱が移動する現象です。
⼀⽅、熱伝達は、物質の移動によって熱が伝わる現象で、熱伝導との違いは、「物質」⾃体が移動するかどうかの違いです。
熱伝達の身近な現象に扇風機があげられます。扇風機で風を当てると、風があたったところは冷やされます。空気が物体の表面から熱を運んでいるのです。これは熱伝達の現象です。
主に流体の対流によって熱が運ばれるため、対流熱伝達、熱対流と表現されることもあります。
比熱と熱容量について
■熱容量とは
熱容量とは、物体の温度を1K上昇させるために必要な熱量のことで、単位は[J/K] です。
※K:ケルビン ・1K（=1℃）
■比熱の定義
物質1g当たりの温度を1K上昇させるために必要な熱量（物質1g当たりの熱容量）を比熱といいます。比熱が大きいほど温まりにくく冷めにくい性質であり、小さいほど温まりやすく冷めやすい性質となります。
熱伝導率が⾼い物質と低い物質の⼀覧
■熱伝導率が⾼い物質と低い物質を紹介
熱伝導率が⾼い物質の代表例は以下のようになります。
- ・銀
- ・銅
- ・金
- ・アルミニウム
- ・タングステン
⼀⽅、熱伝導率が低い物質の代表例は以下のようになります。
- ・空気、ガス、液体
- ・グラスウール、ロックウール、発泡スチロールなどの断熱材
- ・⽊材、紙、綿、⿇など
- ・プラスチック類（ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタンなど）
熱伝導率は物質固有の物性値ですが、温度によっては変動がある場合があります。
また、例えば金属のアルミニウムでも、純粋なアルミニウムとアルミニウム合金では、熱伝導率は異なります。
■物質の熱伝導率とその実際の用途
熱伝導率が⾼い物質の具体的な用途例としては、以下のようなものがあります。
- ・アルミニウム：調理器具や電気製品の放熱板等
- ・銅：エアコン、冷蔵庫の熱交換機用のパイプ、電子機器の電気配線等
⼀⽅、熱伝導率が低い物質の具体的な用途例としては以下のようなものがあります。
- ・グラスウール：建築物や家具の断熱材、防⾳材料など
- ・空気（空間）：断熱材。空気の層（空間）を設けることで断熱材として機能
- ・プラスチック類： 家電製品、モバイル機器の外装。熱伝導率が低いため、触ったときに熱さを感じにくいという特徴があります。
固体、気体、液体における熱伝導
■固体での熱伝導の特徴
ひとつの固体の板を考えます。固体は原子が互いに結びついていると考えられます。この固体が30度ぐらいの温度だったとします。
そのとき、
1. 分子・原子は30度で互いに振動
2. その一端を火で温めると温められたところは温度が高くなって振動が激しくなる
3. 原子の振動が徐々に広がり、全体の温度が上昇する
原子は互いに共有結合しているので、その振動は次々と隣の原子へと伝わっていきます。この振動が伝わっていくことを熱伝導といいます。
最終的には、全体が温められ、振動することになります。
前項で述べましたように、冷たいものと温かいものをくっつけた場合、二つの物体間の熱の流れは、その二つの物体の温度差が大きいほど大きくなります。つまり熱伝導によって伝えられる熱量は温度の勾配に比例します。これをフーリエの法則といい、通常この法則にしたがって、熱は伝わります。
例えば、上の図のように厚さ：dの板の片面を温度：T1に、もう一方の面を温度：T2（＞T1）とし、下面がT2で上面T1の温度より高い温度に保ったとします。
この時、板の中の温度勾配は(T2－T1)/d となります。これが、1秒間(単位時間)に板の面積1cm2（単位面積）を通してT2側からT1側に流れる熱量：Ｑ は
Ｑ＝κ(T2－T1)/d
となります。この時の比例係数κを熱伝導率といいます。この熱伝導率が、熱の伝わりやすさを表します。この κ が大きいほど熱が伝わりやすいのです。熱伝導率は物質固有の値です。
■気体や液体における熱伝導と違い
気体や液体では、それぞれを作っている物質が、その気体や液体の中で移動します（対流）。温められると対流がおこり、これを熱対流といい、熱対流や攪拌による流れなどがあると、高温の物質自身が移動して熱を運びます。固体で考えていた振動の移動とは異なります。
しかし、流れがおこらないという条件においては、熱伝導（熱対流ではない）によって熱が伝えられます。気体分子は、固体のように共有結合は薄いですが、気体分子は熱運動をしており自由に動いています。
熱運動により、気体分子は互いに衝突しながら乱雑に動き回っています。この動きは高温になるほど激しくなり、速度が速くなって気体分子のもつ平均の運動エネルギーも大きくなります。高温部と低温部の差（温度勾配）があると高温の気体と低温の気体とが互いに運動・移動し、衝突することによって、入り混じっていきます。拡散によってエネルギーの移動がおこります。すなわち熱伝導がおこるのです。
液体も気体と同じように分子が熱運動によって乱雑に動きまわります。熱伝導の仕組みは気体と同じですが、分子同士が引き合う力や反発しあう力（分子間力）が気体よりも強く働くために、その影響も考える必要があります。
■金属や固体における熱伝導の特性
金属は固体ですが他の固体と性質が違うために、熱伝導率も金属だけ非常に大きくなっています。ここでは、金属と固体を分けて考えます。多くの固体はその原子が規則正しく配列しています。気体や液体と違って、固体は動き回ることはありません。
ガラスは原子が不規則で、規則正しく並んでいませんが、原子の移動はおこらないと考えます。しかし、固体でも金属は、その中の電子が自由に動き回ることができるので、電子が自由に動き回れないその他の固体とは性質が異なり、熱伝導の仕組みが異なっています。
金属以外の固体（絶縁体）は、主要な熱運動は原子の振動です。原子の間に力が働いているので、振動は固体の中を伝わっていく（伝播する）音波のような波（格子波）になります。
一方、金属の場合は原子の数と同じ程度の数の伝導電子があります。この電子は、金属の中を運動して電気を伝えます。この金属中の伝導電子は、気体と同等にみなすことができます。この電子の気体が、通常の気体の場合と同じように熱を運びます。
金属でも先の絶縁体と同じ原子の振動による熱伝導もありますが、通常は電子による熱伝導の方がはるかに大きく、気体のような熱伝導になります。この場合、電子の動きが自由であるほど熱伝導率も大きくなるので、電気伝導率の大きい金属ほど熱伝導率も大きくなります。
熱伝導と比熱・熱容量の実用例
■日常生活や産業での熱伝導の利用
熱伝導と比熱を実用した身近な例では、使い捨てカイロがまさに熱伝導の現象を利用したものです。
カイロの原料は、鉄粉・水・活性炭などで、鉄粉と水が接触することで錆が発生し、その酸化反応により熱が発生します。これを酸化熱と言います。活性炭は空気中の酸素を吸い込み、鉄粉の錆び発生を促進させます。酸化熱で暖かくなったカイロに人が触れて暖かさを感じます。
一般産業においては、熱伝導を活用した例として、ヒートパイプ式の熱交換器があります。ヒートパイプは、管内に封入された作動液の蒸発・凝縮と毛細管現象を利用して、一方の端部に加えられた熱を、もう一方の端部に高速で移動させる伝熱装置です。
■比熱と熱容量の実用的な活用例
鍋やフライパンなどの調理器具は、熱容量が調理のしやすさに大きくかかわります。熱容量が大きな調理器具は、加熱後の温度が下がりにくいので、例えば天ぷらなどの揚げ物では、油の温度が下がりにくくなるため、油の量が少量でもおいしく揚がります。
一方、熱容量は比熱×重さですので、熱容量が大きい素材の調理器具は重くて、調理するものによっては使いにくくなってしまう場合もあります。 調理器具は、熱容量や比熱を考慮して作られています。
内部エネルギー
物質は原子等の微視的粒子でできています。この微視的粒子はその物質の温度に見合った乱雑な熱運動をしていて、それに伴うエネルギー（内部エネルギー）は温度が高いほど大きく、乱雑な熱運動も激しくなります。
熱伝導というのは物体の中でこの乱雑な熱運動が広がる過程とみなすことができます。そのメカニズムは物質の形態、例えば、気体である、液体である、固体であるかによって異なります。しかし、熱伝導は温度差による内部エネルギーの移動とみなすことができるので、一般的には温度の異なる部分のもつ、それぞれの内部エネルギーの差が大きいものほど熱伝導率が大きいと考えることができます。
