3種類の熱の伝わり方の違いを身近な例とともに比べてみよう

科学・技術
ラビまる
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熱の伝わり方(伝導・対流・放射)のそれぞれについて、イメージしやすいように図や具体例を用いてまとめます。


熱が周りに伝わっていくメカニズムには、3種類のパターンが存在する。

たとえば、私たちが天気のいい日に太陽の光を浴びて「あったかいなあ」と感じるのは、放射という熱の伝わり方が関係している。

また一方で、お風呂でシャワーのお湯を浴びて「あったかいなあ」と感じるのは、伝導の作用による。

どちらも外部の熱が身体の内部に伝わっている状況であるけれども、実はその仕組みはまったく異なっているということだ。

熱の伝わり方を理解することで、普段何気なく見ていた身の周りの様々な事象の中に「熱」というものをより鮮明にイメージできるようになる。

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3種類の熱の伝わり方

熱の伝わり方は、次の3パターンである。

またそれぞれの作用の特徴をまとめると、下記の表のとおりとなる。

熱の伝わり方
  • 伝導(でんどう) :エネルギーをもった分子の衝突
  • 対流(たいりゅう):密度の差による分子の移動
  • 放射(ほうしゃ) :電磁波の放出&吸収

名 称伝 導対 流放 射
熱が伝わる原因接触密度の差電磁波
物質の状態固体・液体・気体液体・気体固体・液体・気体
一言でいえば…触ると熱い熱が気流(水流)に乗る波が遠隔で熱を与える
身近な例カイロの使用、
フライパンでの調理
火で沸かしたお湯、
エアコンの効いた室内
太陽光、
電子レンジ

ここからは、それぞれのパターンについて詳しく見ていこう。

伝導(でんどう)

伝導は熱の伝わり方の中でもっともシンプルなやつで、

  • 熱いものを触ったら熱い
  • 冷たいものを触ったら冷たい

というように、物質同士の直接の接触によって温度が高い方から低い方へと熱が伝わるもの。

もっとミクロな視点で考えてみると、そもそも「熱」というのは物質を構成する小さな粒(分子)がどれくらい激しく動き回っているか、という度合いである。

熱い物質と冷たい物質とが接触するということはつまり、激しく運動する高エネルギーの分子が、それほど運動していない低エネルギーの分子に衝突するということになる。

この衝突により運動エネルギーが受け渡される(=熱が伝わる)というわけだ。

たとえば私たちがアツアツの湯飲みでお茶を飲むとき、湯飲みを構成する分子は手の皮膚に勢いよくぶつかり、またお茶を構成する水分子は舌の表面に勢いよくぶつかってきている。

だから私たちはお茶を「熱い」と感じるんですね。

熱すぎるモノに触るとヤケドをするのは、分子が皮膚の組織を破壊してしまうほどの勢いでぶつかっているからである。

ちょっと補足:熱伝導率について

伝導による熱の伝わりやすさは、物質の種類やその状態(固体・液体・気体)よって異なり、この熱の伝わりやすさの度合いを「熱伝導率(ねつでんどうりつ)」という。

一般的に熱伝導率は 固体 > 液体 > 気体 となる。
これは、固体より液体のほうが、また液体より気体のほうが分子がバラバラに散らばっていて、分子の密度が小さい状態だから。

90℃のお湯に触るとヤケドするのに90℃のサウナに入ってもヤケドしないのは、気体の熱伝導率が低い(衝突してくる分子が少ない)からなんですね。

対流(たいりゅう)

対流は、空気の流れや水の流れに乗って熱が移動していくものをいう。

ここでは分子の衝突によるエネルギーの転移ではなく、高エネルギーの分子そのものが空間を移動しているという点で、伝導とは異なっている。

なぜ空気や水の流れが生じるかというと、そのカギは「物質の密度」にある。

熱とは分子の運動なので、物質が熱くなるほど分子は空間を激しく動き回るようになり、それによって体積もまた大きくなる。

体積が大きくなるということは、密度(一定体積あたりの分子量)が小さくなるということ。
密度が小さくなるということは、その気体(液体)が軽くなるいうこと。

ということで、まとめると次のようなことが言える。

  • 熱い気体(液体)は比重が軽い
     ⇒ 上に浮こうとするチカラが働く
  • 冷たい気体(液体)は比重が重い
     ⇒ 下に沈もうとするチカラが働く

こうしたことにより、温度差のある空気や水においては、ひとりでに上下に混ざり合うような流れが生じるのである。

だからたとえば寒い部屋を暖めるときには、高い位置についたエアコンよりも、背の低いファンヒーターなんかを使った方が暖房効率は良い。

なぜなら低い位置の空気を積極的に温めた方が対流が活発に起こるので、部屋全体に熱が伝わりやすいからだ。

ちょっと補足:対流は流体だけのものじゃない

身の回りで見られる対流現象は基本的に流体(気体や液体)のもの。
分子同士の結束が強い固体においては対流はほとんど関係ないのだが、一部例外もある。

その例外というのが、地球の内部構造である「マントル」だ。
マントルは固体でありながら、ものすごい高温と高圧、そして長い時間の中で、ゆっくりと対流し続けているのである。

放射(ほうしゃ)

そして最も直感的にわかりにくいと思われるのが、放射という現象である。

実は、身の回りのあらゆる物体は(今これを読んでいるアナタ自身も)、その物体の温度に応じた強度・波長の電磁波を周りに放出している。

そしてこの電磁波が何かほかの物体にぶつかったとき、その物体は電磁波を一部吸収することにより熱エネルギーを生み出すのである。

このように熱が電磁波を媒介して伝わるものを放射という。

放射の原理を利用している最も身近な例の一つが電子レンジ

電子レンジはオーブンのように内部を直接高温にしているのではなく、中の食品に向けて電磁波をあてることにより、食品中の水分子を振動させて間接的に食品を温めているわけだ。

また、この放射により「太陽はなぜあたたかいのか?」という疑問にも説明がつく。

「いやいや太陽って6000℃もあるんでしょ?そりゃ周りにいたら暖かいじゃん」

などと思うなかれ。

宇宙というのは、分子なんてほとんど存在しないほぼ真空の広大な空間である。

上記で見てきた「伝導」や「対流」なんてものはあくまで分子の働きがあっての現象であるから、地球上では当たり前でも宇宙の前には役に立たないのだ。
(魔法瓶の中身が温度を保っているのも、容器に真空の層があるからですね。)

一方、電磁波というのはいわば「空間そのものの波」なので、真空中であっても難なく熱を伝えることができる

太陽の暖かさというのは、その光が宇宙の旅を経て地球の大地に到達したときに始めて発生する暖かさであって、これは放射という現象のおかげなんですね。

この記事のおさらいクイズ

以上、3つの熱の伝わり方の違いや特徴が理解できたでしょうか。

最後にこの記事でみてきた知識をササっとおさらいしてみよう。

クイズその1

熱の伝わり方の種類のうち、分子が他の分子に直接衝突することにより熱が伝わるものを何というでしょう?

正解:伝導(でんどう)

カイロやホットカーペットなど、直接触れるタイプの暖房器具などは伝導により熱を伝えている。

クイズその2

熱の伝わり方のうち「放射」において、熱源から放出される何によって熱が伝わるでしょう?

正解:電磁波(でんじは)

電磁波が物体にあたったとき分子を振動させて熱を生じさせる。
これにより放射は真空中でも熱を伝えられるのが特徴。

クイズその3

お風呂を沸かしたとき、お湯に少し手を入れてみると十分熱いのに、実際に入ってみると湯舟の底の方のお湯はぬるいことがある。
これは熱の伝わり方の3つうちどの現象によるものでしょう?

正解:対流(たいりゅう)

お湯の暖かい部分は体積が大きく比重が軽いので上の方へ浮き、冷たい部分は逆に下へ沈む。
このような密度の差による熱の移動を対流という。

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