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熱の伝わり方と熱膨張|伝導・対流・放射と線膨張率

熱いスープに金属のスプーンを差しておくと、柄まで熱くなります。ストーブの前に立つと、間の空気が冷たくても顔が熱い。

同じ「熱が伝わる」でも仕組みが違います。伝わり方は 3 つに分けられる。

温度が変われば物の長さも変わる。この記事では伝わり方と膨張の両方を扱います。

伝わり方は 3 つ

熱の伝わり方は伝導、対流、放射の 3 つに分けられます。どれも高温から低温へ向かう。

伝導と対流には間をつなぐ物が要ります。放射だけは真空を越えられる。太陽の熱が届くのも放射です。

実際の場面では 3 つが混ざっています。やかんの湯なら、火から鍋底へ伝導、鍋の中で対流、外へ放射。

伝導

固体の中を、物が動かないまま熱が伝わる伝わり方です。分子はその場で震えているだけで、動いているのは振動の勢いだけ。

白い点の位置は動きません。震えが大きくなるだけで、その勢いが隣へ次々と渡っていく。

金属では自由に動ける電子もいっしょに運ぶので、伝導が特に速くなる。金属がよく熱を伝えるのはこの電子のはたらきです。

フーリエの法則

厚さ 、断面積 の板の両側に温度差 があるとき、単位時間に伝わる熱は次のように書ける。

は熱伝導率で、単位は です。物質ごとに決まる値。

薄いほど、広いほど、温度差が大きいほど熱がよく通る。厚さが分母にあるところが要点で、断熱材を厚くすると効くのはここです。

例:窓ガラスと発泡スチロール

面積 、内外の温度差 として比べる。

厚さ のガラスは です。

厚さ の発泡スチロールは になる。

倍の差が付きました。ガラスの は現実には出ません。両面に張りつく空気の層が効いて、実際はずっと小さくなる。

それでも窓が弱点だという結論は変わりません。だから二重ガラスにして、間に空気をはさむ。

熱伝導率の違い

主な物質の熱伝導率を並べる。桁が大きく違うので、対数の目盛りで描きました。

物質熱伝導率目安
銅401金属はとても大きい
アルミニウム237鍋やヒートシンク
鉄80銅の 5 分の 1
ガラス0.9金属の 400 分の 1
水0.59液体としては大きめ
木材0.1断熱に近い
発泡スチロール0.04中の空気が効く
空気0.025いちばん小さい

金属が飛び抜けて大きく、気体がいちばん小さい。銅と空気では 1 万 6 千倍の開きがあります。

断熱材が効くのは、中に細かい空気をたくさん閉じこめているからです。空気そのものが動けなければ、対流も起こらない。

セーターや羽毛が暖かいのも同じ理屈です。繊維ではなく、繊維がつかまえた空気が効いている。

対流

液体や気体では、温まった部分そのものが動いて熱を運ぶ。これが対流です。

温まると膨張して密度が小さくなり、浮力で上がる。冷えた部分が下りてきて、循環が生まれます。

赤い粒が上がり、青くなって下りてきます。運んでいるのは熱ではなく、熱を持った分子そのもの。

固体では対流が起こりません。分子が動けないので、伝導しか残らない。

外から動かさない対流を自然対流、扇風機やポンプで動かすものを強制対流という。エアコンや車のラジエーターが強制対流です。

放射

物はどれも、温度に応じて電磁波を出しています。これが放射で、間に何もなくても伝わる。

太陽から地球へ熱が届くのは放射です。宇宙空間には伝導も対流も担う物がありません。

放射で出ていく電力は、絶対温度の 4 乗に比例する。

はシュテファン・ボルツマン定数で 。

は放射率で、 から の値をとります。

まわりからも放射を受けるので、正味の出入りは差になる。

例:体から出ていく放射

表面積 、表面温度 の人が、 の部屋にいるとします。放射率を として正味の放射を求める。

温度を に直すと と です。

ほどが体から出ていきます。白熱電球 2 個ぶんの熱を、じっとしていても放している。

乗が効くので、温度が少し違うだけで大きく変わります。部屋の温度を 上げると、この値は ほど減る。

真空の宇宙空間で、人工衛星が熱を捨てられるのはどの伝わり方ですか。

  • 伝導
  • 対流
  • 放射
  • どれでも捨てられない
__RESULT__

伝導と対流は間をつなぐ物が要ります。真空には何もないので、電磁波で飛ぶ放射だけが残ります。

熱膨張

温度が上がると、たいていの物は伸びます。分子の震えが大きくなり、たがいの平均の間隔が広がるからです。

長さの変わり方は、もとの長さと温度差に比例する。

は線膨張率で、単位は です。金属では の桁になる。

表の値は を単位にしています。

物質線膨張率目安
アルミニウム23.1よく伸びる
銅17中くらい
鉄11.8鋼もほぼ同じ
コンクリート12鉄とそろえてある
ガラス8.5伸びにくい
インバー1.2鉄の 10 分の 1

鉄筋コンクリートが成り立つのは、鉄とコンクリートの線膨張率がほぼ同じだからです。違えば温度が変わるたびにはがれてしまう。

例:レールの伸び

長さ の鉄のレールが、 から まで温まります。 とする。

温度差は です。

伸びました。レールの継ぎ目にすきまを空けてあるのは、この伸びを逃がすためです。

橋にも同じ仕組みがあります。継ぎ目をふさいでしまうと、伸びる先がなくなって力がかかる。

体膨張は線膨張の 3 倍

立体の体積の変わり方は、次のように書ける。

は線膨張率のおよそ 3 倍になる。

縦と横と奥行きが同じ割合で伸びるので、掛け合わせると 3 倍の割合になります。 が小さいので、2 乗と 3 乗の項は落としてよい。

例:鉄の球の体積

体積 の鉄の球を 温める。

の増加です。目には分かりませんが、精密な機械では効いてくる。

バイメタル

線膨張率の違う 2 枚の金属を貼り合わせると、温度で曲がります。よく伸びるほうが外側になる。

アルミと鉄では線膨張率が 2 倍ほど違います。長さ を 温めると、伸びの差は ほど。

わずかな差ですが、貼り合わせてあるので逃げ場がなく、曲がりに変わる。サーモスタットや温度計に使われる仕組みです。

水の異常膨張

たいていの物は温めれば膨らみますが、水は 付近で様子が違う。

から温めると まで縮み、そこから先で膨らむ。

で密度が最大になる。

だから冬の湖は表面から凍ります。冷えた水が までは沈みますが、それより冷たい水は軽くて上に残る。

氷が水に浮くのも、氷のほうが密度が小さいからです。湖の底が凍らないおかげで、生き物が越冬できます。

よくある誤り

最後に、間違えやすいところを並べます。

真空でも対流が起こると思う。対流には運ぶ流体が要ります。
固体でも対流すると思う。分子が動けないので伝導だけです。
フーリエの法則で厚さを掛ける。厚さは分母で、厚いほど熱は通りません。
放射が温度に比例すると思う。絶対温度の 4 乗に比例します。
放射の式にセルシウス温度を入れる。 は絶対温度です。
熱を伝えないものは冷たいと思う。伝わりにくいだけで、温度は同じです。
体膨張率を線膨張率と同じにする。およそ 3 倍になります。
線膨張の式でもとの長さを忘れる。伸びは長さにも比例します。
水がいつでも温めれば膨らむと思う。 より下では逆です。

参考文献

Thermal conduction - Wikipedia
List of thermal conductivities - Wikipedia
Convection (heat transfer) - Wikipedia)
Stefan-Boltzmann law - Wikipedia
Thermal expansion - Wikipedia
Wärmeübertragung - Wikipedia(ドイツ語)
断熱材が効くのは中の空気が動けないからです。3 つの伝わり方の見分け方、窓と発泡スチロールの比較、レールの伸びやバイメタル、水が 4 °C で密度最大になる理由を高校物理の範囲で解説します。