最終更新日: 2024 年 6 月 17 日

大理石はなぜ木より冷たいのですか?

画像の説明: 大理石の上に氷を置き、もう一方を木の板の上に置くと、大理石の上に置いた氷は木の上に置いた氷よりも 10 倍早く溶けます。

寒い

室温では、大理石の板は木の板よりも冷たく見えます。
角氷を大理石の上に置き、もう一方を木の板の上に置くと、大理石の上に置いた氷は木の上に置いた氷よりも 10 倍早く溶けます。
この物理現象の明らかな矛盾の背後には、合理的な説明が隠されています。

触れると冷たく感じるのは、大理石と木材の熱特性の違いによるものです。これは大理石の熱伝導率の高さによるもので、手の熱をすぐに吸収して冷たく感じます。
一方、木材は熱伝導率が低いため、手の熱をゆっくりと吸収します。そのため、触っても冷たさを感じにくくなります。

角氷が溶ける

大理石は熱伝導率が高いため、熱が大理石から氷に素早く伝わります。したがって、大理石の上の氷は、下にある材料からより多くの熱を受け取るため、より早く溶けます。
一方、木の板は熱伝導率が低いため、氷に熱を伝えるのが遅くなり、溶けるのが遅くなります。

要約すると、大理石は熱伝導率が高いため触ると冷たく感じられますが、熱の伝わりも速く、その結果、大理石の上に置かれた氷は木の板に比べて早く溶けます。

その背後にある方程式は何ですか?

材料を通した熱伝達を説明する方程式は、熱拡散方程式です。この方程式は、熱伝導に関するフーリエの法則の一種です。熱方程式は一般に、1 次元で次の形式で表されます (1 次元の熱伝達の場合)。

\[ \frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \frac{\partial^2 T}{\partial x^2} \]

• T は材料の温度、
• t は時刻です。
• x は空間位置です。
• α は材料の熱拡散率です。

この方程式は、材料を通る熱流により、温度 T が時間 t および空間 x でどのように変化するかを説明します。材料の熱伝導率は係数 α に組み込まれます。

木材や大理石の熱伝導率はどれくらいですか?

熱伝導率の値は、木の種類や大理石の種類、温度や湿度などの要因によって若干異なる場合があります。
木材の熱伝導率は、乾燥した木材で 0.1 ～ 0.2 W/(m・K) です。
大理石の熱伝導率もその組成によって異なりますが、一般的には 2 ～ 5 W/(m・K) です。
熱伝導率の単位は、ワット/メートル/ケルビン (W/(m・K)) です。

熱伝導率が最も高い材料はどれですか?

アルミニウムの熱伝導率は、他の多くの材料と比較して比較的高いです。その典型的な値は約 200 ～ 230 W/(m・K) です。この高い熱伝導率が、ラジエーター、電子部品のヒートシンク、台所用品など、効率的な熱伝達が必要な用途にアルミニウムが一般的に使用される理由の 1 つです。
ただし、熱伝導率が最も高いのはダイヤモンドです。 2000～2200W/(m・K)程度の値に達することがあります。

アルミニウムやダイヤモンドに触れても冷たさを感じないのはなぜですか?
触ったときの冷たさは、材料の熱伝導率だけでなく、熱容量にも依存します。
比熱容量が低いということは、吸収される熱量が同じでも、比熱容量が高い材料と比較して、材料の温度がより早く上昇することを意味します。言い換えれば、熱容量が低い材料は、温度が大幅に上昇するのに少量の熱しか必要としません。

ダイヤモンドの熱伝導率が最も高いのはなぜですか?

ダイヤモンドは面心立方体の結晶構造を持ち、各炭素原子は非常に強い共有結合によって他の 4 つの炭素原子と結合しています。この規則的で高度に対称的な構造により、非常に効率的な熱伝達が可能になります。
強力な共有結合と不純物の欠如により、結晶格子を介した原子振動 (フォノン) の急速な伝播が可能になります。