物理

早く冷やすor早く温めるには?「熱伝導の法則」を使って理系ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回のテーマは「熱伝導の法則」。

日常生活こんな経験はあるか?
怪我や筋肉痛の時にアイシングをするとき、水で冷やすと「徐々に冷たくなる」けど、氷で冷やすと「一気に冷える」。
プラスチックのコップにお湯を入れてもすぐには熱くならいけど金属の容器だと、すぐに熱くなる。

これらは、温度差や熱を伝える媒体によって熱の伝わり方が違うことが原因で起こっている、「熱伝導の法則」による現象。理科教員を目指すR175と一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/R175

理科教員を目指すブロガー。前職で真空設備や高温設備を扱っていた。その経験を活かし、教科書の内容を実際の現象に照らし合わせて分かりやすく解説する。

1.熱伝導の法則~熱の移動激しさ~

image by iStockphoto

熱とは物質を構成する原子の運動の激しさ。この運動が隣の原子に伝わることで、隣の原子も運動を始めます。すなわち隣の原子にも熱が伝わるのです。

さて、この伝熱現象で熱が激しく移動するのはどのような場合でしょうか?

それを説明するのが、熱伝導の法則(フーリエの法則)。

物質内での熱移動の激しさ(熱流速)は温度勾配(一定距離あたりどれだけの温度差があるか)に比例。その比例定数が熱伝導率で、これは物質によって決まります。

熱移動の激しさ

この記事で言う熱移動の激しさは「熱が密になって」移動している状態です。

熱移動を針に例えなら、一部に集中して熱の針がチクチク刺さってくるようなイメージ。これが熱移動の激しさ、正しい用語でいう熱流束

2項で挙げる例題のように、熱力学では、トータルの「熱の針」の本数より、「熱の針の密度」が重要になってきます。

2.熱の移動の激しさ〜熱流速〜

2.熱の移動の激しさ〜熱流速〜

image by Study-Z編集部

熱流束について考えるために、例題です。

イラストで、AとBどちらが熱の移動が激しい(密になっている)でしょうか。

解答例
いずれも左端から右端にかけて100Wの熱が移動しているから同じです。以上。

どうでしょうか?

確かにそうですが、フェアではないですよね?例えば、Aを9本持ってきて繋げたらBと同じ太さ。Bは1本辺り100W、9本で900W熱が移動している。Aは100Wで1秒当たり100Jの熱が移動しているが、Bは900Wで1秒あたり900J、つまりBの方が9倍密に熱が移動している。

このように、伝熱が起きてる面の面積を同じにしないと物質内の熱の移動の程度をフェアに比較できません

熱流量[W]を伝熱面積[m2]で割った熱流束[w/m2]を使って、物質内の熱の移動度合いを比較します。

\次のページで「3.温度勾配という概念」を解説!/

次のページを読む
1 2 3
Share: