熱の伝わり方【熱伝導・対流熱伝達・熱放射】空気中や宇宙空間での伝わり

熱の伝わりってどんなものがあるのかしら。参考書に書いてある内容を読んでもいまいちわからなくて。生活の中の現象で知りたいわ。

こんな悩みにお答えします。

この記事では以下について解説しています。

わかりやすいように数字は使わず、日常生活でおきる現象で解説していきます。

熱の伝わり方は３種類

生活の中の現象で熱の伝わりを考えてみると、どれもみなさんが経験したことのある身近な現象ばかりです。

今回はその熱の伝わり方の３つである、熱伝導・対流熱伝達・熱放射について、生活の中での現象を例にとって解説して行きます。

熱伝導

熱伝導は、物体の中を熱が伝わっていく現象のことです。

ここでは、銅でできた円柱の棒の片側を火で熱することを考えます。

この絵のように、棒の左側だけを火に近づけ、熱を加えます。

すると、時間と共に熱は棒の右側に伝わっていきます。

これは、熱が銅の棒の中をじわじわと移動していった結果、右側まで熱くなったわけです。

このように、物体の間で熱を伝える現象が熱伝導です。

熱伝導をミクロで解説

熱伝導をもっとミクロに見てみます。

先ほどの銅の棒を、原子レベルで見てみると、こんな感じで銅原子が並んでいます。

この丸いもの一つ一つが銅原子と考えてください。

先ほどと同じように銅棒の左側を熱していきます。

この振動こそ、熱の正体なんです。

原子が振動すればするほど、熱をもっている状態、ということになります。

すると、熱をもらった銅の原子たちは振動します。

銅の棒は固体なので、原子は振動するだけであちこち動くことはありませんが、熱を与え続けると、振動は徐々に右側の原子にも伝わっていきます。これが熱伝導です。

熱伝導をミクロで見ると、原子の振動が伝わることで熱を伝える、ということがわかりました。

対流熱伝達

流体（気体や液体など）が動いたときに、熱を一緒に運ぶ現象を対流熱伝達といいます。

気球が飛ぶ原理も、熱した空気が対流によって上にあがる現象を利用しています。


対流というのは、空気や水など、気体や液体の流れのことです。

寒い冬にエアコンのスイッチを入れて、部屋をあたためることを考えてみます。

エアコンからはあたたかい風が部屋に送られていきます。

しばらくすると部屋のなかは、冷たい空気とあたたかい空気が入れ替わり、快適な温度になりますね。

このように、動いている、つまり対流している空気や水などの流体が熱を運び、伝わる現象が対流熱伝達です。



熱伝導と、熱伝達の具体的な違いについては、以下の記事を参照するとより理解が深まります。

熱伝達率・熱伝導率｜違いをわかりやすく解説

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対流熱伝達をミクロで解説

対流熱伝達もミクロレベルで考えてみます。

固体の原子（分子）は動かず、振動するだけでしたが、液体や気体の原子（分子）は自由に動き回っています。

この原子（分子）が熱を持った状態で飛び回る、これが対流熱伝達です。

熱をもった分子は活発に動き、あちこち動く一方、冷たい分子は動きが少なく、熱い分子に比べて留まっています。
この動きの活発さが対流熱伝達で、活発に動くほど熱く感じるようになります。

これは非常にシンプルで、考えやすいかと思います。

熱放射（輻射）

熱の伝え方の３つ目となる熱放射ですが、太陽光のように、電磁波が伝える熱のことを熱放射といいます。

太陽光を例に考えてみます。

僕たちが太陽光を体に浴びると、温かい（あるいは暑い）と感じます。

この熱は、液体や気体などの姿をした物体、物質が伝えているのではなく、光（電磁波）が運んでいます。

温度ごとに異なる形をした光（電磁波）が、人や物にあたることで、その光を熱として感知して温かく感じます。これが熱放射の正体です。

熱放射がなければ地球は極寒

太陽は非常に熱く4000℃以上ありますが、地球と太陽の間の宇宙空間は-270℃と、とても冷たいのです。

また、距離は1億4960万kmと非常に遠く離れており、太陽から出た光が地球に届くには8分以上かかります。

こんな距離でも光が当たった瞬間に温かく感じるのは、熱が光に運ばれているからなんです。

宇宙には空気がないため、熱伝導や対流熱伝達では熱を地球まで伝えることはできません。

そのため、もしも光が熱を伝えてくれる熱放射という現象がなければ、地球は極寒の世界になっているに違いありません。

太陽以外の熱放射

太陽以外にも熱放射を利用した熱の伝え方をするものがあります。

その代表例として、ストーブがあります。


ストーブ自身は炎を発するため、対流熱伝達によって空気をあたたかくします。

でも、ストーブの周りにいて暖かく感じるのは、熱放射によるものなんです。


そのため、ストーブの周りに熱放射の電磁波をさえぎる物や人がいると、とたんにあたたかさを感じなくなってしまいます。

熱放射の弱点は、さえぎるものが存在すると、熱を伝えることができなくなる、ということです。


このように、熱放射は僕らの身近なところでたくさん存在しています。

最後に

ここまで熱の伝わり方３種類を解説してきました。


どれも僕らの生活の中で感じられるものばかりだったと思います。


熱が伝わる現象は僕らの身近なところにたくさんあります。

勉強が難しいいなと思った時は、生活のなかでの現象に置き換えると、イメージしやすくて理解が進むと思います。


お役に立てば幸いです。