熱の正体・熱移動の三要素

熱移動の三要素…熱の移動は3つの方法1伝導熱伝導熱のイメージ

熱が物体を構成している分子運動が次々と隣の分子に伝播する熱移動のことをいいます。
私たちが冷たいガラスに手を当てると冷たさが手に伝わってくるのが分かりますが、この様に温度の異なる物体を接触させることで熱が移動します。
もちろん、気体や液体でもおこりますが、この様な流体の場合は伝導熱と対流熱が複合して起こる場合が多いのです。

2、対流熱対流熱のイメージ(エアコン)

気体や液体の内部に温度の不均一があると、高温の部分は密度が小さい為浮力で上昇、その部分に低温の密度の大きな流体の塊が入り込み、高温と低温の塊が混合して全体の温度が一様になるまで移動し続けるものです。
個の移動方法は上下動のみで、室内で使用するエアコンはこれを上下だけでなく、強制的に横方向にも熱移動させたものです。

3、輻射熱遠赤外線ストーブをつけた状態を上部よりサーモにて撮影したもの

1点から放射状に一直線に進む放射熱のことで、他の物質に当たると熱を発する性質を持っています。
全ての物体は、その温度によって決定されるある特定の波長と強さの波をその表面から放射しています。
これを熱放射といい、その正体は電磁波です。この電磁波は、他の物質に吸収されると再び熱となって物体の温度を上昇させることになります。
日常使われる遠赤外線ヒーター等は、途中の空気は殆ど暖めませんが、人体・床・壁・家具等に当たるとそれを暖め、二次輻射を伴い部屋の隅々まで温かくします。

輻射熱って

1点から一直線に放射状に放出される熱のことで、よく車輪に例えられます。
他の物質に当たるまでは一直線に進み、熱を発することはありません。物質に当たってはじめて反射、透過、吸収、放射が起こり、吸収されたものはその物質の状態変化に使われます。

輻射熱は物に当たって熱を発生する

代表的なのは太陽から地球に放射される放射熱(電磁波)です。
太陽から地球に届くまでは熱を発しませんが、大気圏の塵、水蒸気あるいは地球等に当たり、一部は反射され再び宇宙に放出されます。
しかし約半分は地表に吸収され、熱を発生、波長を変えたりしながら再び宇宙やほかの物質に向かって放射されることになります。地球から宇宙に向かって放射された輻射熱はそのまま宇宙にいくものと、温室効果ガスにて反射、透過、吸収、放射をしながら、その一部は再び地表に戻るものもあります。

建物への輻射熱建物への輻射熱画像

太陽からの輻射熱は屋根材に当たり一部はそのまま 反射されますが、殆どは吸収され熱となります。
熱は温度の高い方から低い方に移動する法則に従い、大半は天井へと放射されることになります。天井においても同様の熱変換をしながら室内へと浸入することになります。
このことから輻射熱が私たちの住まいを熱くしているのです。暑さを防ぐには、断熱材の性能を上げることである程度カバーできますが、輻射熱を抑えれば、より効果的だということです。

建物内を移動する熱の割合(75%は輻射熱)

建物内を通過する熱移動は、伝導熱と対流熱が殆どであると考えられてきました。
しかし、全米の多くの機関の報告として、実際には殆どが輻射熱で、その量は全熱量の75%を占めるとされています。以下の図は、その割合を示しています。
例えば、左の図は屋根方向からくる熱の割合を示しています。断熱材等で対応できる伝導熱は5~7%で、約93%が輻射熱です。即ち、この輻射熱をカットしない限り、省エネは難しいことを示しています。

遮熱か断熱か

遮熱か断熱、どちらが良いのかとよく聞かれます。
前述のとおり、建物を移動する熱の割合は輻射熱が最も多く全体の75%、伝導熱は僅か5~7%です。従って、この輻射熱の移動を止めることが省エネには最も効果的であると言えます。また、輻射熱をカットするには遮熱材が最も有効であることは周知の事実です。