熱対流とは何か?熱対流の仕組みをわかりやすく図で解説!

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    さてあなたは”熱対流”という言葉をご存知でしょうか。

     

    熱対流は物質における熱の伝わり方の種類のひとつなのですが、
    どのように熱を伝える方法なのかイメージできていない人も多いです。

     

    そこでこのページでは熱対流とは何か?
    また熱対流の仕組みをわかりやすく図で解説しています。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.熱対流とは何か?

     

    では熱対流とは何かを見ていきましょう。

     

    結論から言ってしまうと熱対流とは、流体(気体と液体)が移動することで熱が伝わる方法で、
    これは流体の密度の変化によって流体が移動して熱が伝わることによるものです

     

    熱対流は気体・液体(流体)による熱の伝わり方で、固体の物質では起こりません。

     

     

    熱対流はどちらかと言えば熱を伝えるというよりも、
    ”流体の持っている熱がその流体とともに移動する”と言った方が正しいです。

     

    熱対流以外の熱の伝え方である熱伝導のように他の物質に熱を伝えるではなく、
    流体の持っている熱がその流体とともに移動するだけです。

     

    その流体が持っている熱が周囲に存在する物質に伝わるかもしれませんが、
    この場合の熱の伝え方としては熱対流ではなく熱伝導になるので覚えておきましょう

     

    さて次の章で流体の密度の変化と、熱対流の仕組みをわかりやすく図で解説していきます。

     

    2.熱対流の仕組みをわかりやすく図で解説!

    では熱対流の仕組みを流体の密度の変化とともに見ていきましょう。

     

    まず気体・液体のような流体はそのときの温度によって体積が変化して、
    それに伴い気体・液体の密度も変化することになります
    (このとき体積は変化しても、質量は変化しないので密度が変化することになります)

     

    固体もそのときの温度による体積変化は起こりますが、
    流体(気体・液体)ほど大きな変化は見られません。

     

     

    流体の温度が上がると体積が大きくなって密度が小さくなり、
    反対に流体の温度が下がると体積が小さくなって密度が大きくなります

     

     

    そうすると上図のように密度が小さくなった流体は軽くなって上へ行き、
    密度が大きくなった流体は重くなって下へ行くことになります。

     

    「暖かい空気(水)は軽くて上へ行き、冷たい空気(水)は重くて下に行く」と聞きますが、
    まさにこのことで温度変化によって空気(水)の密度が変化するために起こる現象なんですね。

     

    密度はこのように物質の重さに大きく関係しています。

     

     

    そして熱対流とは先ほどのように流体の温度が変化することで密度が変化し、
    その流体が移動することで流体の持っている熱も一緒に移動することを指しています

     

    例えば容器の中の水を火で暖めていきます。

     

     

    上図のように容器の下の方に存在する水は少しずつ暖まっていくので、
    水の温度が上昇してその水の密度が小さくなるため軽くなって上へ行きます。

     

     

    暖められた水が上昇すると上に存在していた冷たい水が、
    暖められた水と入れ替わるように下の方へと移動していきます。

     

    これにより水(流体)が持っている熱が移動します。

     

    このように温度変化に伴って流体の密度が変化することで重さが変わり、
    流体そのものが移動して熱が伝わる方法のこと”熱対流”と言うわけです。

     

     

    以上が「熱対流とは何か?熱対流の仕組みをわかりやすく図で解説!」でした。

     

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    3.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 熱対流とは、流体(気体と液体)が移動することで熱が伝わる方法のこと。
    • 熱対流が起こるのは、流体の密度の変化によってその流体が移動するから。
    • 熱対流は流体のみにおける熱の伝わり方で、固体だと他の熱の伝わり方となる。

     

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