鍋の中で生じる物理学

熱を伝える方式には、「伝導」「対流」「放射」の３通りあります。鍋で料理をする場面を考えてみましょう。ガスコンロの炎の熱は、電波のように空間を飛んで放鍋の底に伝わります。たとえば、焚たき火び の炎に直接触れていなくても顔が熱くなりますよね。これを放射熱伝達といいます。金属の棒の一端を火にかざしていると持っている側がそのうち熱くなりますが、これは伝導熱伝達といいます。

仮に鍋がアルミでできていれば、鍋底に伝わった熱は薄いアルミの板を通して鍋の中に伝わります。鍋底に接している水は、鍋底から熱を受けます。水は温まると密度が小さくなり、軽くなって上昇します。それが水面に到達するとそれ以上は上昇できないので、鍋のふちに沿って下がり、鍋の中をぐるぐると回ることになります。

そうして水全体が混ざり温度が高くなっていきます。このような流れが対流です。対流によって水全体に熱が伝わるのを対流熱伝達といいます。ちなみに自然に起こる対流を「自然対流」、スプーンやお玉でかき混ぜて起こる流れによって生じる対流を「強制対流」といいます。通常、大きな対流は小さなセル（ｃｅｌｌ）状の対流で構成されるようになります。身近なところでは、味噌汁の味噌が図２のようにセル状に対流しているのが見られます。これを「ベナール対流」といいます。実は、崖などで見られる六角形の柱が並ぶ柱ちゅう状じょう節せつ理り も溶岩のベナール対流の結果です。

熱伝導で伝わる熱量は、高熱源と低熱源の温度差に比例し両者の距離に反比例します。また、熱を伝える物質によって、伝わりやすいものや伝わりにくいものがあります。ちなみに、鍋の中の具材は、熱伝導によってお湯と同じ温度になるまで熱が伝わるのです。対流熱伝達で伝わる熱量は、鍋底の温度と水の温度との差に比例します。放射伝達で伝わる熱量は、高温源の温度の４乗に比例します。その放射してくる熱をどのくらい受けとれるかは受取側の熱吸収率に依存しているわけです。

出典：『眠れなくなるほど面白い　図解　すごい物理の話』著/望月修