熱伝導とは｜定義・仕組み、熱伝導率と放射・対流との違い

熱伝導の定義・仕組み、熱伝導率の意味、熱放射・対流との違いを図解でわかりやすく解説。日常や工業での応用例も紹介。

著者: Leandro Alegsa

19-01-2026 21:39

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。

湯たんぽを触ると、伝導で熱を得ることができます。

顕微鏡による説明

原子論では、固体、液体、気体は「原子」と呼ばれる小さな粒子でできている。物質の温度は原子の動く速さを測り、熱は原子の振動によるエネルギーの総量を測ります。

伝導は、物質の一部分が加熱されたときに起こることがあります。この部分の原子はより速く振動し、隣の原子にぶつかりやすくなる。この衝突により、原子の動きが速くなり、熱エネルギーが隣の原子に伝わります。このようにして、エネルギーは固体中を伝わっていくのです（ドミノ倒しのように）。

固体では、原子が互いに接近し、動き回ることができない。液体や気体では、粒子は互いに動き回ることができるので、衝突はあまり起こりません。

熱伝導の法則

フーリエの法則とも呼ばれる熱伝導の法則は、ある物質を通る熱の移動速度は、温度の負の勾配と、その勾配に直角な方向に熱が流れる面積に比例することを意味しています。

∂ t = - k ∂ S ∇ T⋅ d S {displaystyle {frac {partial Q}{partial t}}=-koint _{S}{nabla Tcdot \,dS}} ${\frac {\partial Q}{\partial t}}=-k\oint _{S}{\nabla T\cdot \,dS}$

のところです。

Qは熱の移動量、である。

t はかかった時間であり

k は材料の熱伝導率' であり

Sは熱が流れる面積、である。

Tは温度です。

熱伝導率は通常、温度によって変化するが、一般的な材料では、かなりの温度範囲で変化が小さくなることがある。

リニアな熱流

質問と回答

Q:熱伝導とは何ですか?

A: 熱伝導とは、温度の異なる2つの物体が接触したときに、それらの間で熱が移動することです。

Q: 熱伝導は同じ温度の物体間でも起こりますか?

A: いいえ、熱伝導は温度の異なる物体間でのみ起こります。

Q: 熱伝導の例を教えてください。
A: 熱伝導の例は、湯たんぽに触れて手を温めることです。冷たい手が熱い湯たんぽに触れると、熱は熱い物体から冷たい物体へと流れる。

Q: 熱伝導率の異なる素材にはどのようなものがありますか?

A: 調理器具は熱伝導率の異なる素材でできていますし、熱いものや冷たいものを入れる断熱容器もあります。

Q: 熱を伝える方法は伝導以外にもありますか?

A: はい、熱は放射や対流によっても伝わります。

Q: すべての熱伝達プロセスは別々に起こるのですか?

A: いいえ、通常は複数の熱伝達プロセス（伝導、放射、対流）が同時に起こります。

Q: 真空中でも熱伝導は起こりますか?

A: はい、輻射による熱伝達は真空中でも起こります。太陽の熱はこうして地球に届くのです。

百科事典を検索する