「空気がなければ熱は伝わらない」と考えると、太陽から地球へエネルギーが届くことを説明できません。熱の伝わり方には、物を伝わる伝導、空気や水の移動に伴う対流のほかに、放射があります。今回は、二つの物の間が真空になっている場面を手がかりに、その違いを整理します。
最初から三つの名前を当てにいくより、熱を受け取る物まで何がつながっているかを図で確かめましょう。金属の棒なのか、流れる空気なのか、物がないすき間なのか。同じ温度上昇でも、途中の道すじは違います。
伝導と対流には、途中の物質が関わる
金属の棒の片側を温めると、離れた部分にも熱が伝わります。棒全体が端から端へ移動しているわけではありません。このような伝導では、熱を伝える物質が間にあります。棒を触って確かめるのは危険なので、実験では温度計などで変化を追います。
対流では、温められた水や空気など、流体そのものの動きが関わります。水の中で色のついた流れを観察する場合は、その色が熱そのものを表すのではなく、水の移動を示す手がかりになっています。熱が伝わったことと、物質が移動したことを、ここでも分けて読みます。
放射は、間に空気がなくても届く
放射では、電磁波によってエネルギーが運ばれます。小学生向けには、目に見える光だけでなく、赤外線のような見えないものもあると考えるとよいでしょう。放射は真空のすき間も通るため、太陽と地球の間が空気で満たされている必要はありません。
ただし、「放射は目に見えない光だけ」と限定する必要もありません。太陽から届く光には、目に見える成分も含まれています。熱の伝わり方を考えるときは、そのエネルギーを受け取った物がどう変化するかを見ます。明るいか暗いかだけでは、放射の有無を決められません。
真空にしたら、すべての道が消えるのか
二つの物の間から空気を取り除くと、空気を介する伝導や対流を抑えられます。しかし、放射までなくなるわけではありません。さらに、二つの物が金属の部品でつながっていれば、その部品を通る伝導の道も残ります。
「真空だから伝導はゼロ」と書く前に、どの部分が真空かを確かめてください。容器の中が真空でも、容器の壁や支える脚まで消えるわけではありません。図で空白に見える部分と、実際につながっている固体を色分けすると、残る道すじが分かりやすくなります。
温度が上がった事実だけでは、原因を一つに絞れない
熱い物の近くに温度計を置いて温度が上がったとしても、それだけで放射だけの効果とは言えません。周囲の空気が温められて流れてきた可能性や、支えを通じて熱が伝わった可能性もあります。実験の設定を読む理由は、こうした別の説明を確かめるためです。
たとえば、間に板を置いた比較でも、その板が空気の流れを変えたり、板自身が温まったりします。板を入れたら変化が小さくなった、という結果から、いきなり残りの伝わり方を全部否定してはいけません。どの道を変えた比較なのかを、条件と一緒に書きます。
受け取るだけでなく、出してもいる
物は周囲から放射を受け取るだけでなく、自分からも放射しています。温度がどう変わるかを考えるときは、入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーの差を見る必要があります。何かを受け取っているから、必ず温度が上がり続ける、とは限りません。
このページでは、複雑な計算式までは使いません。「同じ量を受け取り、同じ量を出していれば、そのやり取りだけで増える分はない」と整理します。水槽の水量を考えるとき、入る水だけでなく出る水を見るのと、収支の捉え方は似ています。ただし、熱を実際の水という物質だと思わないようにしましょう。
例題1：真空のすき間を越える道
高温の物体Aと、それより低温の物体Bが、真空のすき間を隔てて向かい合っています。AとBをつなぐ固体はなく、ほかのエネルギーの受け渡しは考えません。AからBへエネルギーが伝わる方法として、伝導・対流・放射のどれを考えますか。
答え・解説： 放射です。すき間には伝導や対流を担う物質がありませんが、電磁波は通れます。「真空なので何も届かない」とするのは、物質が必要な伝わり方を、すべての方法に広げた誤りです。設問で固体のつながりを除いた意味も確認してください。
例題2：支えの金属棒が残っている
例題1のAとBを、一本の金属棒でつなぎました。周囲のすき間は引き続き真空です。このとき「真空だから、放射しか起きない」という説明は適切でしょうか。
答え・解説： 適切ではありません。金属棒を通る伝導も考える必要があります。真空なのは棒の周囲の空間であり、棒の中まで物質がなくなったわけではありません。どちらの方法がどれだけ大きいかは、この条件だけでは決められません。
解き直しでは、名前より経路を描く
伝わり方を間違えたときは、用語だけを書き直さず、出発する物と受け取る物を描いて、その間の道を確認しましょう。一つの実験で複数の方法が同時に働くこともあります。三つから一つを選ぶ問題なのか、起こりうる方法をすべて挙げる問題なのかも読み分けます。