熱伝導（または伝導）とは、ある物体から温度の異なる別の物体に触れたときに、その物体から熱が移動することです。例えば、私たちは湯たんぽに触れて手を温めることができます。冷たい手が湯たんぽに触れると、熱いもの（湯たんぽ）から冷たいもの（手）へ熱が移動します。熱伝導率の異なるもの、例えば、加熱する調理器具や、熱いものを熱く、冷たいものを冷たく保つ保温容器などが作られています。

熱を伝える他の方法としては、熱放射や対流がある。通常、これらのプロセスは同時に2つ以上起こります。

仕組み（微視的な見方）

熱伝導は、物質内部でのエネルギーの移動です。微視的には次のようなメカニズムがあります。

  • 固体（特に金属）: 自由電子が多く存在する金属では、自由電子が熱エネルギーを素早く運びます。これが金属の熱伝導率が高い主な理由です。
  • 非金属の固体: 結晶格子中の原子や分子の振動（フォノン）の伝播によって熱が伝わります。フォノンの散乱により熱伝導は制限されます。
  • 液体・気体: 粒子の熱運動や衝突でエネルギーが移動しますが、静止した流体中では熱伝導は比較的遅く、対流が支配的になることが多いです。

基本式と物理量

熱伝導の代表的な法則はフーリエの法則です。一次元定常状態での熱流量 Q（ワット）は次のように表されます：

Q = -k · A · dT/dx

  • k：熱伝導率（thermal conductivity）、単位は W/(m·K)
  • A：熱が通る断面積（m²）
  • dT/dx：温度勾配（K/m）

その他の関連量：

  • 熱拡散率 α = k / (ρ·cp)（m²/s）— 温度がどれだけ速く広がるかを示す指標。ρは密度、cpは比熱。
  • 熱抵抗 Rth = L/(k·A) — 物体の熱の通しにくさ。複合材料や多層構造の評価に便利。

材料例と数値目安

  • 金属（銅、アルミニウム）: おおむね 100〜400 W/(m·K) 程度（銅は約400 W/(m·K)）
  • ガラス・セラミックス: 数 W/(m·K) 程度
  • 木材・プラスチック: 0.1〜0.5 W/(m·K) 程度
  • 空気（静止）: 約 0.025 W/(m·K) — 空気は優れた断熱材になる

定常と過渡（時間依存）

熱伝導には定常状態（時間が経って温度分布が変化しない）と過渡状態（時間とともに温度が変化する）があります。過渡解析では熱拡散率 α が重要で、時間スケールや温度応答の速さを評価します。

伝導と放射・対流の違い

  • 熱伝導：物質そのものを介して局所的にエネルギーが移動する。固体内部や接触面で支配的。
  • 熱放射（放射）：電磁波（赤外線など）によるエネルギーのやり取り。真空中でも伝わり、放射強度は温度の4乗（ステファン–ボルツマン則）に比例する。
  • 熱対流（対流）：流体の大規模な移動に伴う熱輸送。自然対流（密度差）と強制対流（ファンやポンプによる）に分かれる。

要点としては、伝導は物質に依存して局所的に起きるのに対し、放射は媒質を必要とせず、対流は流体の運動が関わる点で異なります。実際の多くの場面ではこれらが同時に起こります（例：暖房器具は放射・対流・伝導が混在）。

実用上の注意点と応用例

  • 調理器具やヒートシンク：熱伝導率の高い材料で効率よく熱を移す設計が重要。
  • 断熱材・保温容器：空気層や発泡体など熱伝導率の低い材料を使い、熱の移動を抑える。
  • 電子機器の冷却：接触抵抗（接触面での熱抵抗）を下げるために熱伝導性グリースやパッドを使用。
  • 建築・窓ガラス：複層ガラスや低放射コーティングで伝導と放射を同時に抑える。