ヘリウムの熱伝導率が高いわけ。

質問

昔、熱分析を使用するときに、雰囲気ガスとしては、Arを使うように言われ、熱伝導率が良すぎるので使用しないように、といわれました。
確かに調べてみると0.152 W/(m*K)と、Ar0.01772 W/(m*K)よりも一桁大きいですね。
どうしてでしょうか?
これは比熱容量He5193 J/(kg*K)、Ar520 J/(kg*K)と一桁大きいのと関係あるのでしょうか?

回答No.2

siegmund · ベストアンサー

結局，ojisan7 さんの言われるように，
He 原子が軽いことに帰着します．

> 比熱容量He5193 J/(kg*K)、Ar520 J/(kg*K)
は確かにそうですが，
単位からわかりますようにこれは単位質量(kg)当たりの比熱です．
He の原子量は４，Ar の原子量は40ですから，
上の比熱容量(普通，比熱と言うが...)の違いは密度の違いから来ています．
言い換えれば，単位体積当たりの比熱は He も Ar もほとんど同じです．
これは当然で，単原子理想気体なら１モル当たりの比熱は皆同じであることと，
理想気体では１モル当たりの体積が気体の種類によらず同じであること
(圧力，温度を同じにすれば)，
から来ています．

簡単な気体運動論からは，熱伝導率 K は
(1)　　K = (1/3)Clv = (1/3)Cv^2 τ
であることが導けます．
C は単位体積当たり(単位質量当たりではない)の比熱，
l は気体分子の平均自由行程，v は気体分子の平均速度，τは分子同士の衝突の平均自由時間で，l = vτです．
エネルギー等分配則により，1自由度あたりの平均エネルギーは (1/2)kT ですから
(k はボルツマン定数，T は絶対温度)，
(2)　　(1/2)mv^2 = (3/2)kT
ということになります．３は空間の３方向，m は気体分子の質量．
m は He と Ar とで１０倍違うのですから，
He の方が v^2 は Ar より１０倍大きいことになります．
最初の段落に書きましたように，C は He も Ar も同じです．
したがって，τは He でも Ar でも余り変わらず，
v^2 の１０倍の違いが熱伝導率の大きな違いになっているのでしょう．

回答No.1

ojisan7

比熱容量よりは、単純に、He原子の方がAr原子よりも軽いことが原因だと思います。