熱平衡とエネルギー伝達方式 - 中学校の科学

中学生に地球の放射平衡を教える際にこの概念が非常に理解しにくいとの話を聞きました。

インターネットで記事を探しても中学生向けの記事がないので、一度書いてみます。

今回の回では熱平衡とエネルギー伝達方式について、そして次回では地球の放射平衡について扱おうと思います。

科学が好きな多くの学生がこの記事を読んで役に立てばと思います。

1. 熱い水が冷める理由は？

中学校3年生の授業中、放射平衡について授業を始める前に学生にいつもする質問があります。

熱い水を入れた器を長時間放置すると、温度が下がる理由は何でしょうか？

一見すると非常に当たり前で常識的な現象ですが、中学生がこれを科学的に説明するのは少し難しいことかもしれません。

時に中学校2年生の時に学んだ内容を覚えている学生は熱平衡でこれを説明することもあります。

では、今回は熱平衡がどのように達成されるか、もう少し詳しく見てみることにします。

2. 熱平衡

熱平衡とは、異なる温度を持つ2つの物体の温度が等しくなり、熱の流れがないことを言います。

上のように温度が異なる物体をくっつけておくと、時間が経つと同じ温度に達します。

この時、2つの物体間に熱の流れがなく、熱平衡に達したと言います。

それでは、熱とは何でしょうか？

3. 熱とエネルギーの移動

一般的に、ある物体の温度が高いほど多くのエネルギーを持ち、温度が低いほど少ないエネルギーを持っています。

この時、多くのエネルギーを持つ側から少ない側へ、つまり温度が高い物体から低い物体へエネルギーが移動することを熱と呼びます。

エネルギーを放出した物体は温度が下がり、エネルギーを受け取った物体は温度が上がります。

このような熱の移動は2つの物体の温度が同じになるまで続きます。

熱の流れがこのようなことは、まるで水が高い所から低い所へ流れるような自然な現象です。

そのため、エネルギーの流れを水の流れに例えることがたくさんあります。

4. 熱の伝達方式

熱は大きく対流、伝導、放射という3つの方式で伝達されます。対流はエネルギーと物質が一緒に移動します。

伝導は物質を通じてエネルギーが伝達されますが、物質の移動はありません。

例えば、以下の動画でラーメンを作っているのを見て、これを1)対流と2)伝導の方式で理解してみましょう。

上の動画で人形が暖炉の中に引き込まれる理由は対流です。

暖炉の中で空気が加熱され、加熱された空気は暖炉の煙突から抜け出します。

この時、出て行った空気の空間を埋めるために部屋の空気が暖炉の中に引き込まれる流れが形成されます。

この流れに沿って人形が引き込まれたのです。

では、暖炉の前にいる人はなぜ暖かさを感じるのでしょうか？

暖炉の火によって温められた暖かい空気は煙突から全て抜け出すため、対流によって暖かさを感じるわけではありません。

そして空気中の伝導は対流に比べてかなり遅いです。

したがって、暖炉の前の人に暖炉のエネルギーは伝導と対流よりも主に放射を通して伝えられます。

暖炉から放出される赤外線、可視光線(光)などの電磁波が人々にエネルギーを伝達するのです。

このようなエネルギー伝達方式を放射と言います。

6. 結論：熱い水が冷める理由

それでは、最初の質問に答える時が来ました。熱い水が冷め、熱平衡に達する理由は何ですか？

1) エネルギーは温度が高い物体から温度が低い物体へ移動する。
2) このようなエネルギーの移動方式には対流、伝導、放射がある。
2-1) 対流：熱い水の上に手をかざすと熱い空気と共に熱が伝わる。
2-2) 伝導：器を触ると水から伝わる温度を感じることができる。
2-3) 放射：目には見えないが、赤外線、マイクロ波などの電磁波の形でエネルギーが放出される。
3) したがって、熱い水が冷める理由は水より温度が低い周囲に対流、伝導、放射を通じてエネルギーが放出されるためである。

未来の高校教育課程のために、熱平衡とエネルギー伝達方式についてよく理解しておくことを期待します。

地球の放射平衡については、以下の記事を参考にしてください。