伝導・対流・放射の違いとは？熱の伝わり方3つを式と例でわかりやすく解説

熱の伝わり方は、伝導（熱伝導）・対流・放射（熱放射）の3つです。伝導は、固体や静止した流体の中で粒子から粒子へ、接触を通じてエネルギーが渡されていく伝わり方。対流は、温まった液体や気体そのものが動いて熱を運ぶ伝わり方。放射は、主に赤外線という電磁波として熱が飛ぶ伝わり方で、間に物質がなくても成り立つため、宇宙空間の真空も越えられます。熱いスープに入れた金属スプーンが温まるのは伝導、沸騰した鍋の中で水が回るのは対流、日なたで顔に感じる暖かさは放射です。

伝導（熱伝導）：接触して伝わる熱

伝導では、高温側で激しく振動している粒子が、隣のゆっくり振動している粒子にぶつかってエネルギーを渡していきます。物質は動かず、熱だけが奥へ進んでいくイメージです。金属が熱をよく通すのは、自由に動ける電子（自由電子）が熱エネルギーも運ぶからです。反対に、空気は分子どうしの間隔が大きいため、熱をほとんど通しません。熱は必ず高温側から低温側へ流れ、その大きさはフーリエの法則で表されます。平らな板の場合は、次の式になります。

P = kAΔT / L

P は熱が流れる速さ（単位はワット、W）、k は材料の熱伝導率（W/(m·K)）、A は面積、ΔT は板の両面の温度差、L は板の厚さです。面積か温度差を2倍にすれば熱の流れも2倍に、厚さを2倍にすれば半分になります。教科書によっては熱伝導率を λ（ラムダ）と書きますが、意味は同じです。

例として、面積1 m²、厚さ4 mmの窓ガラスの両面に1℃の温度差があるとします。熱伝導率を1.0 W/(m·K)とすると、1.0 × 1 × 1 ÷ 0.004 = 250 W の熱が流れます。同じ寸法で完全に静止した空気の層なら、通る熱はわずか6.5 Wです。ガラスの寸法と温度差は説明用の仮定で、k は下の表の丸めた値です。

数値は丸めてあり、合金の種類や純度、温度によって変わります。見てほしいのは桁の違いです。同じ金属でも、表の値で比べると銅はステンレス鋼の約27倍も熱を通します。発泡素材（フォーム）やダウン（羽毛）、ウールが暖かいのは、空気が動けないほど細かい隙間に空気を閉じ込めて、熱は伝導の悪い空気の中をじわじわ進むしかなくなるからです。複層ガラス（ペアガラス）も、2枚のガラスの間に密閉した空気やガスの層をつくって、同じ働きをさせています。

対流：流れる流体が運ぶ熱

対流が起こるのは、液体と気体の中です。高温の面に触れた流体は、まず伝導で温まり、そのまま流れとなってエネルギーを物理的に運び去ります。対流には2つのタイプがあります。

• 自然対流（自由対流）：浮力だけが流れを生みます。温まった流体は上昇し、冷たい流体が沈んで入れ替わります。加熱中の鍋の水、真夏の路面の上に見える陽炎（かげろう）、成長していく積雲（わた雲）などが例です。
• 強制対流：ファン、ポンプ、風、かき混ぜるスプーンなどが流体を動かします。コンベクションオーブン、自動車の冷却システム、熱いスープに息を吹きかけて冷ます動作は、どれも強制対流を利用しています。

技術者は、対流による熱の流れをニュートンの冷却法則 q = hAΔT で見積もります。ΔT は表面と、そこから離れた流体との温度差です。熱伝達率 h（W/(m²·K)）には、流れに関するさまざまな事情がまとめて入っています。h は静止した空気では小さく、動く空気や液体では大きく、沸騰する水では数万に達することもあります。

例として、面積0.05 m²の表面が60℃で、室温の空気が20℃（温度差40 K）だとします。h = 10 W/(m²·K) なら、失う熱は 10 × 0.05 × 40 = 20 W です。ファンの風で h が 40 W/(m²·K) に上がれば、熱の損失は4倍の80 Wになります。h の値は、一般的な範囲から選んだ説明用の仮の値です。

熱伝導率 k と熱伝達率 h は名前が似ていますが、別のものです。k は材料そのものの性質で、単位は W/(m·K)。h は流れの状態などで決まる値で、単位は W/(m²·K) です。

放射（熱放射）：電磁波で伝わる熱

絶対零度より高温のものは、すべて電磁波を出しています。ふつうの温度では、そのほとんどが目に見えない赤外線です。赤く光るほど熱くなったコンロのヒーターは、可視光も出しています。この電磁波は伝わるのに媒質が要らないので、放射は、熱が何もない空間を渡れる唯一の方法です。太陽の光は、約1億5000万kmのほぼ真空の空間を進み、8分あまりで地球に届きます。

放射で単位時間に出ていくエネルギーは、ステファン＝ボルツマンの法則 P = εσAT⁴ に従います（「シュテファン」表記もあります）。σ はステファン＝ボルツマン定数で、約5.670 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴) です。NISTが公開しているCODATAの値は5.670 374 419… × 10⁻⁸ で、誤差のない厳密な値です。ε は放射率で、完全な反射体の0から、理想的な黒体の1までの値をとります。T は絶対温度で、単位はケルビン（K）です。この式で最も多い間違いは、T に摂氏の値をそのまま入れてしまうことです。計算の手順は次のとおりです。

1. 温度をケルビンに直します。K = ℃ + 273.15 なので、27℃ならおよそ300 K、327℃ならおよそ600 Kです。
2. T を4乗します。300 K なら 300⁴ = 8.1 × 10⁹ です。
3. σ、放射率 ε、面積 A をかけます。ε = 1 の黒体で1 m²あたりなら、σ × 8.1 × 10⁹ ≒ 459 W/m² です。

もし27℃の「27」をそのまま4乗すると、同じ条件で約0.03 W/m²と、桁違いに小さな値になります。

4乗が効くので、放射は急カーブを描いて増えます。理想的な黒い面が出す放射は、300 K（27℃）で約459 W/m²、600 K（327℃）で約7,349 W/m²です。絶対温度が2倍になると、放射は16倍になります。ただし物体は周囲からの放射も吸収するので、正味の熱の出入りは両方の温度で決まります。表面の状態も大切で、黒くてつやのない面は吸収も放射も強く、光沢のある金属は当たった赤外線の大半を反射します。

伝導・対流・放射の違いを一覧表で比較

実際には、3つはたいてい同時に起こります。大切なのは「どれが支配的か」「どれなら遮れるか」という見方です。遮り方は次のとおりです。

• 伝導を減らす：空気を閉じ込めるフォーム、ダウン、ウールなど、熱を通しにくい材料を使います。
• 対流を減らす：ふたや栓で、流体の動きを止めます。
• 放射を減らす：光沢のある金属面で、赤外線を反射させます。

身近な例で確認：鍋、ラジエーター、魔法瓶

コンロの上の鍋

1. 電気ヒーターやセラミックトップでは直接の接触、ガスの炎では高温の燃焼ガス、さらに赤熱した部分からの放射によって、鍋底が温まります。
2. 熱は伝導で鍋底を通り抜け、取っ手にもゆっくり伝わっていきます。取っ手には、熱が伝わりにくい木やプラスチック、または金属の中では k が小さめのステンレス鋼がよく使われます。
3. 高温の鍋底から対流が立ち上がり、水をかき混ぜるように循環させます。
4. コンロの横にかざした手が温かく感じるのは、バーナーからの放射のためです。手のそばの空気が上昇しているわけではないのに、温かさを感じます。

ラジエーター

温水や蒸気を通す暖房用のラジエーターは、名前の由来こそ radiate（放射する）ですが、実際には放射と対流の両方で部屋を暖めます。金属に触れて温まった空気は天井のほうへ上昇し、広がって冷え、やがて沈みます。この緩やかな循環が、熱の大きな部分を部屋じゅうに運びます。

魔法瓶

魔法瓶の元になった真空フラスコは、1892年にジェームズ・デュワーが初めてつくりました。3つの伝わり方すべてに、同時に対策がとられています。二重の壁の間はほぼ真空で、伝導や対流で熱を運ぶ分子がほとんど残っていません。隙間に面した壁は銀めっきや鏡面仕上げにしてあり、赤外線を吸収・放射せずに反射します。栓は、上部で起こる対流と蒸発を防ぎます。

それでも漏れる熱の大半は、真空がなく熱が伝導できる首と栓のあたりから逃げます。魔法瓶に入れたコーヒーが何時間も温かいのに、永遠には続かないのはそのためです。

よくある質問

伝導と対流の違いは何ですか？

伝導では、物質は動かずにエネルギーだけが移ります。対流では、物質そのものが動いてエネルギーを運びます。光を通さない固体の中を熱が通れるのは伝導だけで、液体や気体では両方が起こります。

熱は真空中でも伝わりますか？

放射だけで伝わります。伝導も対流も粒子が必要なので、宇宙空間はこの2つをほぼ完全に遮りますが、太陽の光は通します。

お湯が沸くのは伝導ですか、対流ですか？

両方です。熱は鍋底から底の層の水へ伝導で入り、そのあと対流が鍋全体にかき混ぜていきます。

同じ室温なのに、タイルの床はラグより冷たく感じるのはなぜですか？

タイルは、空気を含んだラグの繊維よりもずっと速く、肌から熱を奪うからです。肌が感じ取るのは床の実際の温度ではなく、熱が奪われる速さです。

出典・参考（いずれも英語のページです）：NOAA JetStream「熱エネルギーの伝達」、OpenStax University Physics「熱移動のしくみ」、NIST「ステファン＝ボルツマン定数」、Engineering ToolBox「熱伝導率の一覧」

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