夏には、家のタイルの上を裸足で歩くのが好きで、足元に冷風が吹きます。冬には、暖かい布団に潜って過ごし、起きてからも厚い綿のスリッパを履いています。家の温度が夏と冬であまり変わらない場合でも、なぜ私たちはタイルの方が寒く感じるのでしょうか?
実際、流水や電流と同じように、熱も「低い場所」に流れます。つまり、高温の場所から低温の場所に流れます。人間は物体の温度を感じるとき、接触している肌の熱放散量に基づいて判断します。例えば、氷は手が冷え、熱水は手が熱くなります。人間と物体の接触時に熱が伝導される量は、3つの要因に依存しています。温度差、接触面積、物体の熱伝導率。
熱伝導率とは、物体の熱伝導能力のことです。熱伝導能力が高いほど熱伝導率が大きく、低いほど小さくなります。一般的に、金属材料の熱伝導率が最も高く、液体が次いで、気体が最も低いです。例えば、20℃のとき、純銅の熱伝導率は398ワット/(m・K)、水はわずか0.559ワット/(m・K)です。
私たちが同じ温度のタイルと布団に裸足で立つとき、温度差と接触面積は同じですが、タイルの熱伝導率は布団の約22倍です。そのため、タイルの上に立っているときに足元から失われる熱量は、布団の上に立っているときの約22倍になります。タイルは布団よりもはるかに優れた熱伝導能力を持っているため、タイルの上に立っていると寒く感じるのです。
さらに、金属材料には多数の自由移動電子が存在し、電導率が高いと同時に熱伝導率も高くなります。これは、電子と金属イオンの衝突によって熱が迅速に伝導されます。絶縁体は自由電子が非常に少ないため、一般的に熱伝導率が低くなります。動物の毛皮や人間の衣服は、熱の良導体ではなく、暖かい下着には超薄い熱溶融膜やその他の特殊な断熱材料が追加されています。しかし、自然界で最も硬い物質であるダイヤモンドも絶縁体ですが、熱伝導率が非常に高いです。これは、炭素原子が非常に紧密に配列されているため、炭素原子の熱振動が非常に迅速に伝導されます。対照的に、他の絶縁体では原子の熱振動がはるかに遅く、参加する電子の数もはるかに少なく、熱伝導率がはるかに低くなります。
熱伝導率は温度に大きく依存しています。純金属とほとんどの液体(水を除く)の熱伝導率は温度が上がると低下し、非金属と気体の熱伝導率は温度が上がると増加します。そのため、ほとんどの断熱材料はプラスチック、ゴム、ガラス、セラミックなどです。屋根に敷かれたアスベストシートは、直射日光による熱を遮断して室内の過熱を防ぐために使用されています。一部の断熱板や断熱膜では、防火性も考慮する必要があります。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)材料は、優れた絶縁性、低熱伝導性、耐高温・低温性、耐腐食性などの優れた特性を備えており、水立方の青い「泡」がそれでできています。

