中学受験理科の熱の伝わり方—金属と水と空気で温まり方が違う理由を考える｜武蔵野個別指導塾

金属の棒では熱が伝わり、水や空気では温まった部分が動きます。矢印が表すものと加熱する場所を照らして、温まり方を考えます。

熱が伝わる道すじを考えるときは、何が温まり、何が動くのかを分けます。金属の棒では、棒そのものが端から端へ移動しなくても熱が伝わります。水や空気では、温まった部分が動いて入れかわることもあります。さらに、間に物がなくても、熱が伝わる場合があります。

よくあるのは、水が温まる向きを金属の棒と同じに描く小4の場面です。水の底の一部を温めた図を見て、熱源から水の中を横向きに一本の矢印で結んでしまいます。金属の棒で見た順序を、そのまま水に当てはめているのです。水では温まった部分の動きまで考えると、図の読み方が変わります。

問題の出方には、温める場所から金属の各点が温まる順を選ぶ型があります。また、水や空気の動きを矢印で選ぶ型や、熱の伝わり方の名前と場面を結ぶ型もあります。どの型でも、まず図にある物と温める位置を確かめ、次に矢印が熱の向きなのか、物の動きなのかを見ます。与えられていない温度や時間まで決める必要はありません。

3つの伝わり方を区別する

温度は、物の温かさの程度を表します。温度計の読みには、ふつう ℃ を使います。一方、熱は温度が異なる部分の間などを伝わるエネルギーです。温度と熱は同じ名前で呼べません。温度が高いということと、その物が持つ熱の量が多いということも、同じ意味ではありません。

熱は、接している温度の高い部分から低い部分へ伝わります。金属の棒の一端を温めると、温めた場所の近くから、離れた場所へと温かくなります。棒の部分がまとまって移動するのではなく、となり合う部分へ熱が伝わることを、熱伝導（ねつでんどう）といいます。金属の中での伝わり方を考えるときは、棒に沿って場所を追います。

対流（たいりゅう）は、水や空気などが動き、その動きによって熱が運ばれることです。下の一部を温められた水は、温まると一般に体積が大きくなり、まわりの水より同じ体積あたりの重さが小さくなって上がります。上にあった水は別の場所を下がり、入れかわります。空気も、下から温められたときに同じような動きが生じます。水と空気のどちらでも、矢印は流れる物の動きを表します。

熱放射（ねつほうしゃ）は、電磁波（でんじは）によって熱が伝わることです。たとえば日なたで日光を受けた面が温まるとき、太陽とその面の間に空気がなくても熱は届きます。温まった物からも熱放射は出ています。対流のように水や空気が運ばれることは、熱放射が伝わるための条件ではありません。

図1のように、棒の矢印は熱が伝わる向き、水の矢印は水が動く向きです。放射の矢印は、熱が届く向きを表しています。見た目はどれも矢印でも、同じ物が移動する印だと決めつけないことが大切です。図はそれぞれの特徴を取り出したもので、現実の場面では複数の伝わり方が同時に起こることもあります。

水を上から温める場合は、温まった水が上にとどまりやすく、下から温めるときのような大きな対流が起こりにくくなります。したがって「水は必ずぐるぐる回る」と覚えるのではなく、温める位置を確かめます。水にも熱伝導はありますが、金属の棒のような伝わり方だけで水全体の動きを説明しないようにします。

温度計の値を読むときは、どの場所で、いつ測ったかを一組にします。たとえば温め始めた直後としばらく後の値を比べるなら、同じ場所の変化として読みます。異なる場所の値を比べる場合には、測った時刻がそろっているかも確かめます。熱が伝わった向きの説明と、ある時刻の温度の大小を問う説明は、必要な情報が違います。

金属の棒でも、両端を別々に温めれば、片端だけを温める図とは条件が異なります。図にない熱源を想像して付け加えることも、示された熱源を見落とすことも避けます。熱い場所とその周囲の関係から、どちらへ熱が伝わるかを考えます。温めるのをやめた後も温度差があれば熱は伝わりますが、その後の細かな温度は測定結果なしには決められません。

棒の観察を順に読む

次は紙の上の観察です。同じ太さのまっすぐな金属の棒を水平に置き、左端を温め続けます。棒には左から順に点ア、点イ、点ウがあります。左端から各点までの距離はそれぞれ 2 cm、4 cm、6 cm です。各点に同じ条件で付けた印について、温まると色が変わるものとします。観察ではア、イ、ウの順に色が変わりました。色が変わる順と、そこから言える熱の伝わり方を答えます。距離は整数で cm を用いて表します。

図2のように、まず温める左端に印を付けます。次に、それぞれの点までの距離を同じ単位で比べます。距離の小さい順は、2 cm、4 cm、6 cm です。観察された変化も、その順に対応しています。

1行ずつ、読み取ったことを並べます。

1. 温めた端に最も近いのはアです。
2. 次に近いのはイ、その次はウです。
3. 観察された順もア、イ、ウです。
4. 熱は棒の温めた側から離れた側へ伝わったと考えます。
5. この金属の中の伝わり方は熱伝導です。

答えは、ア、イ、ウの順で、熱伝導によって熱が伝わった、です。ここで順番の根拠は表の観察結果です。2 cm 離れた点と 4 cm 離れた点を比べ、時間が必ず2倍になると考えることはできません。距離と変化の順は示されていますが、色が変わるまでの時間は示されていないためです。

また、この図の矢印は棒の材料が右へ流れる印ではありません。棒はその場所にあり、温かさの変化が順に広がっています。印が変わったことを手がかりに、見えない熱の伝わり方を考えます。もし印の条件が場所によって違えば、変化の順を距離だけで比べてよいか慎重に考える必要があります。この問題では印の条件をそろえているので、観察の順をそのまま読み取れます。

温める位置を変えて考える

別の紙上の問題です。透明な容器に水が入り、底の右側の一部を温めます。水の動きが見えるようにしたところ、温めた場所の水が上がり、上の方を左へ進み、左側を下がって底を右へ戻る様子が観察されました。容器の形と水の量は変わらないとします。この動きを説明し、底の左側を温めた場合との違いを答えます。左側を温めた場合も、水が温めた場所で上がり、反対側で下がるものとします。

まず右側を温めた場合をたどります。底の右側で温まった水は、まわりの水より同じ体積あたりの重さが小さくなり、上がります。上がった水は上部を左へ進み、左側では下がります。底を右へ戻る流れまでつなぐと、一周する道すじになります。水そのものが動いて熱を運ぶので、対流です。

次に左側を温めた場合を考えます。上がる場所が底の左側に変わり、上部では右へ進みます。右側で下がり、底を左へ戻ります。したがって、紙面で見た回る向きは先の観察と反対になります。温まった水が上がるという関係は同じでも、温める位置が変わるので、左右の矢印をそのまま写すことはできません。

ここが分かれ目です。問題が温める位置を示すだけでなく、水の動きも観察結果として与えているかを確認します。容器の形や温め方が異なれば、実際の流れはもっと複雑になることがあります。与えられた図に合う向きを選び、観察していない細かな流れまで言い切らないことが、理由を正しく書くための条件です。

矢印を直すときの目印

水の底の右側を温める図に、右下から左下へだけ矢印を描き、「金属と同じように水が横へ温まる」と答えたとします。この答えでは、水の動きが示されていません。右下の水が温まって上がることを見落としているため、上部や反対側の流れにもつながりません。

図3のように、直すときは右下の温める場所から始めます。まず上向きの矢印を描き、上部を左へ、左側を下へ、底を右へつなぎます。この矢印は、前の問題で与えられた観察を表しています。温める場所が変われば、矢印もその図に合わせて描き直します。

別の誤りは、「水が上がったのだから、水の温度も必ず上の方が高い」と、時刻を決めずに断定することです。流れの向きと、各場所で測った温度は別の情報です。温度を問われたら温度計の結果や表の時刻を探します。結果がないときは、特定の場所の温度を数で答えられません。

熱放射についても、「空気が熱を運ぶから太陽の熱が届く」と説明すると、間に空気がない場所を通ることを説明できません。熱放射は電磁波による伝わり方です。空気の動きが運ぶ対流と区別すると、理由が通ります。反対に、温かい空気が上がる場面の動きを、熱放射だけで説明するのも適切ではありません。

手を動かして確かめる

次の問いは、それぞれ独立した紙上の観察です。図を描くときは、矢印が何を示すかも書き添えてください。

問1

同じ太さの金属の板の左端を温めたところ、左端から右に並ぶ点カ、キ、クの順で、同じ条件の印の色が変わりました。熱が伝わった向きと、伝わり方の名前を答えてください。

問2

箱の中の空気を左下の一部で温めたところ、左側で空気が上がり、上部を右へ進み、右側を下がって底を左へ戻りました。空気の動きを矢印で表し、この動きで熱が運ばれる伝わり方の名前を答えてください。

問3

向かい合う2つの物の間に空気がないとき、一方から他方へ熱が届いたとします。このとき、対流と熱放射のどちらで説明できるか、理由とともに答えてください。

問4

水の入った容器の底を温めた観察で、上部と下部の温度の測定結果は与えられていません。「観察の終わりに上部が下部より 5 ℃ 高い」と答えられるか、理由を述べてください。

答えと考え方

問1の答え

左から右へ伝わり、名前は熱伝導です。左端に近い順にカ、キ、クが並び、その順に色が変化しています。金属板の中を場所に沿って追えばよく、板の材料が右に流れたと考える必要はありません。色の変化の時刻は与えられていないので、それぞれが何秒後に変化したかまでは求められません。

問2の答え

左側を上、上部を右、右側を下、底を左に向けた矢印でつなぎます。名前は対流です。温まった空気が上がり、まわりの空気と入れかわることで熱が運ばれます。矢印は空気そのものの動きなので、金属内で熱が伝わる向きを示す矢印とは意味を区別します。箱の外の風や、示されていない温度の値を付け足す必要はありません。

問3の答え

熱放射で説明できます。熱放射は電磁波によるため、間に空気がなくても伝わります。対流は水や空気などの物が動いて熱を運ぶので、この間に運ぶ物がないという条件では、対流を理由にできません。物が接しているかどうかも図にないため、接触による熱伝導を勝手に付け加えず、示された2つから選びます。

問4の答え

答えられません。底を温めたことだけから、終わりの時刻に2か所の温度差がちょうど 5 ℃ だとは決められないからです。温度の数値を比べるには、同じ時刻に測った上部と下部の結果が必要です。もし表が与えられたら、終わりの行を選び、それぞれの値と単位を確かめてから差を求めます。測定値がない場合に数字を作ることはできません。

覚えておく道すじ

• 温度は温かさの程度、熱は伝わるエネルギーです。
• 金属では熱伝導として、温かい部分からとなりへ熱が伝わります。
• 水や空気の対流では、温まった部分が動いて熱を運びます。
• 熱放射は電磁波によって伝わり、間に物がなくても届きます。
• 温める位置と矢印の意味、観察で与えられた範囲を確かめます。

お子さまが矢印に迷ったら

水の図で矢印が横に1本だけ描かれていたら、すぐに正しい形を書き込む前に、どこが温められているかをお子さまに指で示してもらいます。次に、そこにある水が上がるか下がるかを、問題に書かれた観察と照らします。上がる場所が決まったら、上部、反対側、底の順に流れをたどります。

金属の問題では、同じように温める場所を指し、棒そのものが流れるのかを問い直します。説明が止まったときは、伝わるものと動くものを図の横に短く書くと、2種類の矢印を区別できます。水の動きは、温める場所からたどると見えてきます。