東京工科大学　工学部　応用化学科　ブログ

　化学の授業では化学反応に伴う熱の発生や吸収について学びます。でも、熱の伝わり方、伝熱についてまとまった話はありません。伝熱は化学ではなくて物理の範囲ですからね。

　とはいえ、化学反応を起こすには加熱を必要とするケースが多い（というか、温度によってコントールできる反応が興味の対象になっているわけですが……）ので、加熱する、という操作は化学にとって重要だ、ということで今回のお題は加熱についてです。

　化学実験で何かを加熱する際、小学校から高校まではアルコールランプやブンゼンバーナーなど、炎を使って加熱する操作が多かったのではないでしょうか。これは基本的には料理でつかう鍋と同じで、容器の下から加熱する、という形式です。

　普通の実験室スケールであればこの加熱法で何の問題もありません。例えば

直径5cmのビーカーに4㎝の深さで水がたまっている

としましょう。加熱は簡単で火加減によりますが5分あれば沸騰させられます。では、これが10倍になったとしましょう。

直径50cmのビーカーに40㎝の深さで水がたまっている

ことになります。容量は約80L、重さは80kgになりますから、扱うのも大変。これを大きなコンロか何かで下から温めたとしても5分で沸騰させることは不可能でしょう。

　先ほど「10倍になった」と書きました。直径や深さは確かに10倍なのですが、縦横高さ方向に10倍になったことを考えると体積は実は1000倍になっているのです。

　これを下から温めようとする場合、底部の面積は縦横10倍で100倍にしかなりません。100倍の面積を加熱して1000倍の液体を加熱する、単純に考えても同じ面積から10倍の熱量を伝えなければなりません。単純に熱エネルギーが1000倍必要だという事情に加えて、ものを加熱する、とくに大きなものを加熱するにはこのような事情があるのです。

　必要な熱量は体積に比例するのに伝熱するのは面積に比例する、このような関係は二乗三乗則と呼ばれていて、生物の世界でもよく見られる関係です。