熱物理学
熱伝導、対流、熱放射
熱伝達の三機構——伝導・対流・放射——を比較し、試料棒に対するフーリエの法則 を検証します。温度差 ΔT と熱伝導率 k を変えて伝熱量を測ります。
器具
- キャンバス上の三機構模型（棒中の伝導・対流ループ・放射線）
- 温度差スライダー ΔT（5–80 K）
- 熱伝導率スライダー k（10–400 W/m·K）
- 試料棒 A = 0,01 m²、L = 0,50 m、読み出し $P=kA\Delta T/L$
手順
三機構を区別する
キャンバスを観察します。伝導は静止物質を通して棒に沿ってエネルギーを運び、対流は流体の流れとともに熱を運び、放射は媒質不要の電磁波で伝わります。ドラッグして回転させ、各経路を比較します。
伝導熱量を測る
k = 200 W/m·K（代表的な金属）のまま ΔT = 10 K にします。読み出しは W。ΔT を2倍にして P も2倍になることを確かめます。フーリエの線形関係です。
導体と断熱材を比較する
ΔT 一定のまま k を 400 から 10 W/m·K（金属→セラミックス/発泡体）に下げると、伝導熱量は比例して低下します。断熱材は k の小さい物質です。ΔT を高くして読み出し前に P を予測します。
シミュレーション
実験の歴史
ジョゼフ・フーリエは『熱の解析的理論』（1822年）で熱伝導理論を展開し、熱流束が温度勾配に比例すると述べました。これを解くために生み出した数学がフーリエ級数です。
対流の概念は熱い流体が上昇する観察から生まれ（ベンジャミン・トンプソン/ラムフォードは流体中の熱は流体自身の運動で運ばれると主張）、熱放射は1800年にウィリアム・ハーシェルが太陽スペクトルの赤端の外に「熱線」を測定して発見した最初の赤外線です。