メニュー閉じる

水筒の中身の温度はなぜ変わらない?    ー保冷・保温のふしぎー

水筒の中身の温度はなぜ変わらない?    ー保冷・保温のふしぎー

こたえ:(ねつ)移動(いどう)()らす工夫(くふう)()()れているからです。

みなさんは、学校(がっこう)()って()水筒(すいとう)(なに)()れていますか? 体育(たいいく)授業(じゅぎょう)(あせ)をかいた(あと)(つめ)たい(みず)()めるとうれしいですね。(さむ)()には、水筒(すいとう)から(あたた)かいお(ちゃ)()んで(からだ)(あたた)めたという(ひと)(おお)いでしょう。

このように、時間(じかん)がたっても中身(なかみ)温度(おんど)(つめ)たいまま/(あたた)かいまま(たも)つことのできる水筒(すいとう)を「魔法(まほう)びん」とよびます。といっても、()みものの温度(おんど)()わらないのは魔法(まほう)ではありません。

では、温度(おんど)()わらなのはなぜでしょうか。冷蔵(れいぞう)()やエアコンには電気(でんき)使(つか)って()やしたり(あたた)めたりするしくみがありますが、魔法(まほう)びんにはそうした(おお)がかりなしくみはなさそうです。そこで今回(こんかい)は、魔法(まほう)びんが()みものの温度(おんど)(たも)つ「保冷(ほれい)」「保温(ほおん)」のメカニズムを調(しら)べてみましょう※1

※1 保冷(ほれい)できる魔法(まほう)びんは、(あたた)かい()みものの温度(おんど)(たも)保温(ほおん)機能(きのう)ももちますが、()(くち)(かたち)などから「保冷(ほれい)専用(せんよう)」とされている製品(せいひん)もあります。安全(あんぜん)魔法(まほう)びんを使(つか)うために、その魔法(まほう)びんが「保温(ほおん)」にも対応(たいおう)するものなのか「保冷(ほれい)専用(せんよう)」なのかを確認(かくにん)しましょう。

液体(えきたい)温度(おんど)()える“犯人(はんにん)”をさがせ!

図1:熱の伝わり方
(1)伝導、(2)対流、(3)放射(輻射)の3種類があります。

まず、()みもの、つまり液体(えきたい)(あつ)くなったり(つめ)たくなったりする原因(げんいん)(さぐ)ります。その“犯人(はんにん)”の(うご)きを(ふう)じられれば、()みものを保冷(ほれい)保温(ほおん)できるはずです。

液体(えきたい)気体(きたい)固体(こたい)温度(おんど)()える犯人(はんにん)は、ずばり「(ねつ)移動(いどう)」。温度(おんど)がちがう2つのものがあるとき、(ねつ)温度(おんど)(たか)(ほう)から(ひく)(ほう)移動(いどう)する性質(せいしつ)をもちます。たとえば、(つめ)たい液体(えきたい)(はい)ったコップを熱湯(ねっとう)(なか)()れると、コップの中身(なかみ)熱湯(ねっとう)(ねつ)()()って温度(おんど)(たか)くなります。それとは(ぎゃく)に、(あたた)かい液体(えきたい)(はい)ったコップを氷水(こおりみず)(なか)()れると、液体(えきたい)(ねつ)氷水(こおりみず)(つた)わります。

(ねつ)移動(いどう)(つた)わり(かた))には、以下(いか)の3つがあります(()1

 

(ねつ)(つた)わり(かた)(1):伝導(でんどう)

伝導(でんどう)」(熱伝導(ねつでんどう))とは、温度(おんど)(たか)(ところ)から(ひく)(ところ)へ、接触(せっしょく)している物質(ぶっしつ)をつたって(ねつ)移動(いどう)することです。(みず)(はい)ったなべをガスコンロで(あたた)めたとき、コンロの()からなべの(そこ)へ、なべの(そこ)から(みず)へと(ねつ)伝導(でんどう)することで、(みず)温度(おんど)()がります。ほかには、(あたた)まったなべの()()(あつ)くなるのも、(みず)()れた(こおり)()けて(みず)温度(おんど)()がるのも、(ねつ)伝導(でんどう)するからです。その物質(ぶっしつ)がどのくらい(ねつ)伝導(でんどう)しやすいかを(あらわ)度合(どあ)いを「(ねつ)伝導率(でんどうりつ)」といいます。

 

(ねつ)(つた)わり(かた)(2):対流(たいりゅう)

温度差(おんどさ)ができたときに、(あたた)かい液体(えきたい)気体(きたい)(うえ)へ、(つめ)たい液体(えきたい)気体(きたい)(した)()かう(なが)れが発生(はっせい)します。この(なが)れに()って(ねつ)移動(いどう)するのが「対流(たいりゅう)」です。なべの(そこ)(ほう)(あたた)まった(みず)(うえ)へ、(つめ)たい(みず)(そこ)対流(たいりゅう)することで、なべの(みず)全体(ぜんたい)温度(おんど)()がっていきます。エアコンは、(あたた)めたり()やしたりした空気(くうき)(おく)()して対流(たいりゅう)()こして、部屋(へや)温度(おんど)快適(かいてき)にします。

 

(ねつ)(つた)わり(かた)(3):放射(ほうしゃ)輻射(ふくしゃ)

物体(ぶったい)がもつ(ねつ)が「電磁波(でんじは)」になって放出(ほうしゅつ)され、(はな)れた(ところ)(ねつ)(つた)わることを「放射(ほうしゃ)」(熱放射(ねつほうしゃ)輻射(ふくしゃ))といいます。なべをかけたガスコンロの(ちか)くに()をかざすと(あたた)かく(かん)じるのは、放射(ほうしゃ)によるものです。太陽(たいよう)(ねつ)(やく)1(おく)4960(まん)kmも(はな)れた地球(ちきゅう)(あたた)かくなるのは、太陽(たいよう)から放出(ほうしゅつ)された電磁波(でんじは)地面(じめん)(あたた)めて、その(ねつ)大気(たいき)(あたた)めるからです。

(ねつ)移動(いどう)(ふう)じるシカケ

物体(ぶったい)(あたた)かくしたり(つめ)たくしたりする“犯人(はんにん)”は(ねつ)移動(いどう)でした。ということは、(ねつ)移動(いどう)(ちい)さくすれば、()(もの)保冷(ほれい)保温(ほおん)できますね。魔法(まほう)びんは、どのように(ねつ)移動(いどう)をおさえているのでしょうか。

 

解決法(かいけつほう)1:(ねつ)伝導率(でんどうりつ)(ひく)材料(ざいりょう)使(つか)

まずは、伝導(でんどう)(ちい)さくする方法(ほうほう)です。液体(えきたい)は、(せっ)している魔法(まほう)びんの(かべ)(そこ)をつたって()たり(はい)ったりしますから、魔法(まほう)びんの材料(ざいりょう)工夫(くふう)伝導(でんどう)をおさえられます。みなさんが()っている魔法(まほう)びんの(おお)くが「ステンレス(こう)」(ステンレス)という金属(きんぞく)でてきていますが※2、その理由(りゆう)の1つは(ねつ)伝導率(でんどうりつ)。ステンレスのおおよその(ねつ)伝導率(でんどうりつ)は、(ぎん)の1/26~1/16、(どう)の1/23~1/14、アルミニウムの1/12~1/8と、とても(ひく)いのです1)

※2 魔法(まほう)びんには、(うち)びんと(そと)びんが金属(きんぞく)でできたもののほか、このページのいちばん(うえ)写真(しゃしん)のように(うち)びんがガラスでできたものもあります。

[参考]
1)ステンレス協会「ステンレスとは 他の材料との比較」:
https://www.jssa.gr.jp/contents/about_stainless/key_properties/comparison/


解決法(かいけつほう)2:「真空(しんくう)断熱(だんねつ)構造(こうぞう)」で伝導(でんどう)対流(たいりゅう)をおさえる

(つぎ)は、伝導(でんどう)だけでなく対流(たいりゅう)(ちい)さくできる方法(ほうほう)。それは、つくり(構造(こうぞう))です。()2は、ステンレス(せい)魔法(まほう)びんを(たて)半分(はんぶん)()った「断面(だんめん)」。(かべ)(そこ)が二(にじゅう)になっているのが()かりますね。 このように魔法(まほう)びんは、内側(うちがわ)のボトル((うち)びん)と外側(そとがわ)のボトル((そと)びん)の二重構造(にじゅうこうぞう)になっています2)~4)。そして、(うち)びんと(そと)(そと)びんの(あいだ)にはすきまが()いています。

(じつ)は、この(ちい)さなすきまが、保冷(ほれい)保温(ほおん)にはとても大切(たいせつ)(うち)びんと(そと)びんの(あいだ)のすきまは、物質(ぶっしつ)存在(そんざい)しない「真空(しんくう)」に(ちか)状態(じょうたい)です。伝導(でんどう)対流(たいりゅう)は、(せっ)している物質(ぶっしつ)をつたって()きる(ねつ)移動(いどう)ですから、(ねつ)(つた)える物質(ぶっしつ)をふくまない真空(しんくう)空間(くうかん)をつくれば、伝導(でんどう)対流(たいりゅう)をなくせるというわけです(()3)。このように真空(しんくう)空間(くうかん)をつくることによって伝導(でんどう)対流(たいりゅう)をおさえる二重構造(にじゅうこうぞう)を「真空(しんくう)断熱(だんねつ)構造(こうぞう)」といい、こうした構造(こうぞう)魔法(まほう)びんを「真空(しんくう)断熱(だんねつ)ボトル」とよぶこともあります。

図2-1:ステンレス製魔法びんの断面の例
魔法びんを縦に切ると、びんが二重になっているのがわかります。(提供:象印マホービン)
図2-2:魔法びんの断面図
二重になったびんの間は真空になっています。
図3:真空断熱構造による保冷と保温のしくみ
内びんと外びんの間に空気があると熱が空気をつたって移動しますが、真空なら熱が伝導・対流しません。

[参考]
2)サーモス「魔法びんの秘密」:https://www.thermos.jp/craftmanships/
3)タイガー魔法瓶「真空断熱技術」:https://www.tiger.jp/b2b/about_dannetsu.html
4)象印マホービン「まほうびんの仕組み」:https://www.zojirushi.co.jp/cafe/merit/shikumi/


解決法(かいけつほう)3:ぴかぴかの(かべ)(ねつ)をはね(かえ)

(ねつ)移動(いどう)()らす3つ()方法(ほうほう)は、放射(ほうしゃ)(ふせ)ぐもの。それは、魔法(まほう)びんの(なか)をのぞくと()つかります。中身(なかみ)()()したときや(あら)うとき、(かべ)がつるつる・ぴかぴかしているのに()づいたでしょうか。

(おお)くの魔法(まほう)びんは、(うち)びんに金属(きんぞく)(はく)()きつけたり、(かべ)(そこ)(かがみ)のようにみがきあげたりしています。そのため、(なか)をのぞいたときにぴかぴかして()えるのです。魔法(まほう)びんの(かべ)(そこ)(ねつ)放射(ほうしゃ)吸収(きゅうしゅう)されると中身(なかみ)温度(おんど)()がってしまいますが、このように(かべ)(そこ)をぴかぴかにすると、(かべ)(そこ)から(そと)()ようとする(ねつ)反射(はんしゃ)するため、放射(ほうしゃ)(ふせ)ぐことができます(()4)。

図4:放射を防ぐしくみ
ぴかぴかな壁は、外へ出ようとする熱を反射して放射を防ぎます。

()(まわ)りの「真空(しんくう)断熱(だんねつ)」を(さが)そう

(かべ)(そこ)を二(にじゅう)にして、内側(うちがわ)外側(そとがわ)(あいだ)真空(しんくう)にすることで保冷(ほれい)保温(ほおん)する「真空(しんくう)断熱(だんねつ)」の技術(ぎじゅつ)は、水筒(すいとう)だけでなく、いろいろな場所(ばしょ)()つけることができます(()5)。たとえば、冷蔵(れいぞう)()自動販売機(じどうはんばいき)保冷(ほれい)性能(せいのう)(たか)めたり、おふろの浴槽(よくそう)にはったお()をさめにくくしたり、コンテナに()()れて生鮮(せいせん)食品(しょくひん)(つめ)たいまま(はこ)んだりするのに、真空(しんくう)断熱(だんねつ)技術(ぎじゅつ)使(つか)われています。

さらには、室内(しつない)快適(かいてき)気温(きおん)(たも)(まど)ガラスや、ワクチンを(はこ)ぶための保冷(ほれい)ボックス、国際(こくさい)宇宙(うちゅう)ステーション(ISS)から実験(じっけん)サンプルを()(かえ)るための容器(ようき)など、真空(しんくう)断熱(だんねつ)技術(ぎじゅつ)使(つか)(みち)はさまざま5)~7)水筒(すいとう)技術(ぎじゅつ)宇宙(うちゅう)開発(かいはつ)にも()かされていると()ると、宇宙(うちゅう)(すこ)しだけ身近(みぢか)(かん)じられますね。

くわしく調(しら)べると、「こんなところにも!」と意外(いがい)応用(おうよう)場所(ばしょ)があるかもしれません。みなさんもぜひ、真空(しんくう)断熱(だんねつ)技術(ぎじゅつ)(さが)してみてください。

[参考]
5)日本板硝子『真空ガラス「スペーシア」とは』:https://shinku-glass.jp/shinkuuglass/
6)パナソニック『医薬品輸送への貢献を〜保冷ボックス「VIXELL」開発ストーリー』:https://news.panasonic.com/jp/stories/2021/88047.html
7)タイガー魔法瓶『タイガーの「魔法瓶」技術が宇宙へ!』:https://www.tiger.jp/b2b/oem_aerospace01.html


図5:真空断熱技術を応用した製品の例
上の段の左から、真空断熱ボトル「FHT-1002F_NVMT」(提供:サーモス)、真空断熱ボトル「JNL-505_DPBK/WHGY」(提供:サーモス)、真空断熱ボトル「SM-ZA36-BM」(提供:象印マホービン)、ワクチンを運ぶために開発された保冷ボックス「VIXELL」(提供:パナソニック)
下の段の左から、真空断熱ボトル「MTA-T050-KS」の使用イメージ(提供:タイガー魔法瓶)、真空断熱ボトル「MMP-K020PE」(提供:タイガー魔法瓶)、国際宇宙ステーションから実験サンプルを持ち帰るための容器(提供:タイガー魔法瓶)

記事公開:2022年5月

監修者:大山光晴

1957年東京都生まれ。東京工業大学大学院修士課程修了。高等学校の物理教諭、千葉県教育委員会指導主事、千葉県立長生高等学校校長等を経て、現在、秀明大学学校教師学部教授として「理数探究」や「総合的な学習の時間」の指導方法について講義・演習を担当している。科学実験教室やテレビの実験番組等への出演も多数。千葉市科学館プロジェクト・アドバイザー、日本物理教育学会常務理事、日本科学教育学会及び日本理科教育学会会員、月刊『理科の教育』編集委員等も務める。

PAGETOP