密閉した管の片側を温めると、内部の液体が蒸発し、冷たい側で凝縮して液体へ戻ります。その液体が再び温かい側へ帰る仕組みをもつ装置がヒートパイプです。水などを外へ捨て続ける冷却とは違い、作動液を内部で巡らせます。「蒸発した分だけ、入っている液体がなくなる」と考えると、密閉という条件を使えていません。
熱の道と物質の道を二色で描く
熱は温められた部分から冷やされる部分へ運ばれます。一方、作動液は、蒸気として進む道と液体として帰る道を持ちます。代表的なヒートパイプでは、内壁に細かい隙間をもつ構造があり、毛細管の働きで液体を戻します。すべての種類が同じ形とは限りませんが、ここではその代表的な形式を考えます。
管の中で液体が戻るからといって、熱も同じ量だけ熱源へ戻るわけではありません。蒸発するときに受け取った熱を、凝縮するときに冷たい側へ渡します。液体の循環と熱の移動は、同じ矢印一本では表せない関係です。濡れた布が乾くときに周囲から熱を受け取るという知識を、密閉された装置へ広げると理解しやすくなります。
例題1 1分間に蒸発した延べ量
この装置の作動液は、1gが蒸発して凝縮すると2000Jの熱を運ぶとします。冷たい側へ1分間に6000Jの熱が渡りました。状態変化以外の熱輸送を無視すると、蒸発した液体の延べ量は何gですか。管内に初めにあった液体の総量が2gだった場合、矛盾していますか。
答え・解説： 6000÷2000＝3gです。これは1分間に蒸発過程を通った延べの重さであり、管内の物質量が3g増えたという意味ではありません。2gの作動液の一部が凝縮して戻り、再び蒸発すれば、延べ量が初めの量を超えることがあります。初めの液体量だけを上限として6000Jを否定してはいけません。
循環がある数量では、一度だけ数える重さと、通過を合計する重さを分けます。図にある「2g」は装置内の在庫、「3g」はある時間内に通過した量です。学校の水槽や血液循環の問題でも、同じものが繰り返し通過するときには、この数え分けが役立ちます。
例題2 熱を外へ捨てる側が足りない
機器から毎秒80Jの熱が入る一方、冷たい側の放熱部から周囲へ出せる熱が毎秒50Jになりました。この差が20秒間続き、ほかの出入りを無視すると、装置と機器に残るエネルギーは何J増えますか。ヒートパイプがあるから温度は変わらない、といえますか。
答え・解説： 毎秒の差は80−50＝30Jなので、30×20＝600J増えます。熱を運ぶ管は、熱を消してくれる装置ではありません。最後に周囲へ放出する側の能力が不足すれば、内部にエネルギーがたまります。何℃上がるかは、機器や装置の熱容量などがないので、この情報だけでは求められません。
ヒートパイプの働きと、放熱板の働きを分けることがこの問題の中心です。熱源から遠くへ熱を移せても、その先から外気へ逃がせなければ、全体として冷え続けることはできません。計算で求めた600Jを、そのまま600℃と書くのは単位の取り違えです。
温度差がなくても働くという誤解
この装置は電気の代わりに、熱源と冷却側の条件を利用して働きます。したがって、熱源がなくてもいつまでも発熱する装置ではありません。また、液体が戻る速さより蒸発が速すぎれば、温められる場所へ十分な液が届かなくなることがあります。作動液を多く入れるだけで、どんな熱量にも対応できると決めつけないでください。
入試の資料に「密閉」「蒸発」「毛細管」「放熱」の四つが出たら、言葉を別々に覚えるより、一周する液体の経路を描きます。次に、管全体を囲み、外から入った熱と外へ出た熱を書きます。小さな部分の状態変化と、装置全体の収支を行き来できれば、見慣れない冷却装置でも考える入口ができます。
同じ液体が何回も働く場合の数え方
作動液が少ない装置で大きな熱を運べると聞くと、液体の質量そのものが増えるように感じるかもしれません。ここでは、同じ一滴が蒸発し、冷たい場所で液体に戻り、もう一度熱源へ帰ることを数えています。電車の座席数と一日当たりの乗客数が違うように、装置内にある量と境界を通過した延べ量は同じではありません。一定時間の蒸発量を、開始時に入れた液体量から一度だけ引いて終了とする計算は、戻り道を消した模型です。
ただし、戻り道があるというだけで、どんな速さでも循環できるわけではありません。液体が熱源へ戻る速さより蒸発が速ければ、熱源付近の液体が不足する場合があります。そのとき「凝縮側に液体があるから問題ない」とは判断できません。装置全体の在庫と、熱を受ける場所に届いている在庫を分ける必要があります。入試ではこの限界の値を暗記するより、液体がどこに偏る図なのかを読む力が役立ちます。
熱源から低温側へ熱が運ばれても、その低温側が外へ放熱できなければ、やがて温度は上がります。冷たい部分という呼び名は永久に低温である保証ではありません。周囲の空気へ熱を渡す板やファンが図にあるなら、内部の循環とは別の役割を担っています。図を二つの矢印、すなわち作動液の往復と熱の出口に分けておくと、液体が密閉されているのに熱は外へ出せる理由も説明できます。
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