3. 熱伝達に関する質問
1.次の写真を見てください！
図のように、3本のパイプを密閉されたガラス箱の中に配置します。紙ロールから出る煙をパイプBの端に置き、パイプ内に入ると、図のようにパイプAとCから再び出てきます。この現象は、熱の伝達によって起こります。
A. コンベクシ
B.伝導
C. 誘導
D. 放射線
討論
この現象は、対流による熱伝達によって発生します。対流による熱伝達とは、物質の移動に伴って熱が伝達される現象です。対流による熱伝達の例としては、風、沸騰した水、煙の動きなどが挙げられます（上の図を参照）。
上の画像に示されている煙の動きをどのように説明しますか？閉じたガラスの箱の中に、ろうそくが灯されています。ろうそくの炎が周囲の空気を温め、ガラスの箱の中の空気の温度が上昇します。この温度上昇により、空気は膨張します（体積が増加します）。この膨張により、空気の密度が低下します。したがって、ガラスの箱の外側の空気の密度は、ガラスの箱の中の空気の密度よりも高くなります。気体は自然に、空気密度の高い場所から空気密度の低い場所へと移動します。この空気密度の差により、空気密度の高いガラスの箱の外側から、空気密度の低いガラスの箱の中へと煙が流れ込みます。
ガラスの箱の中に入ると、ろうそくの炎が煙を加熱し、温度と体積を上昇させます。これにより煙の密度が高まり、空気密度の低い場所へと上昇していきます。地上から高い場所ほど重力が弱まるため、空気密度は低くなることを覚えておきましょう。
正解はAです。
2.下記の記述に注意してください。
1. 鍋の中の水が沸騰するのは、加熱されているからです。
2. 日中は夜間よりも暑く感じる。
3. 調理器具には一般的に木製またはプラスチック製の取っ手が付けられています。
放射線の影響は数であると述べていることから...
A. 1と3
B. 1と4
C. 2と4
D. 2と3
討論
主張１：鍋の中の水が沸騰するのは、加熱されているからである。
確かに、炎から容器へは放射によって熱が伝わり、容器から水へは伝導によって熱が伝わります。しかし、水の沸騰は対流による熱伝達の直接的な結果です。
声明2：日中は夜間よりも暑く感じる。
太陽は日中、放射によって地球の表面を照らします。
声明3：調理器具には一般的に木製またはプラスチック製の取っ手が付けられている。
調理器具の柄が金属製の場合、熱が柄を通して伝導によって伝わるため、調理者の手が熱くなります。
声明4：燃えているろうそくは、燃え尽きるまで溶け続ける。
炎から蝋への放射熱の伝達によって蝋が溶ける。
つまり、放射線の影響に関する記述は2番と4番です。
正解はCです。
3.液体における正しい対流現象を図に示します。
討論
対流熱伝達とは、物質の移動を伴う熱伝達のことである。自然対流の例としては、加熱時の水の沸騰や、陸風や海風の発生などが挙げられる。
上記の過程では、まず熱が伝導によって火から容器へ伝わり、同様に、容器から水へも伝導によって熱が伝わります。次に、熱は対流によって水分子から他の水分子へと伝わります。
容器の底に近い水は温度が高いため膨張し、密度が低下します。逆に、その上の水、つまり水面の水は温度が低いため密度が高くなります。
容器の底にある水は密度が低いため浮き上がり、その上にある密度の高い水と入れ替わります。容器内の水の動きは、すべての水が同じ温度になるか沸騰するまで続きます。
容器内の水の対流過程をより正確に表した図は、選択肢Cにあります。その理由は、膨張した高温の水はすぐに上方に移動し、最初に横方向には移動しないからです。
正解はCです。
