「冷」輻射熱とは、なんでしょうか

Question

家電製品のカテゴリーで、暖房機についての専門家の方のご説明の中に、「遠赤外線ヒーターが暖かいのは、ふく射熱を利用しているからで、これとは反対に、冷たい物体からは「冷」輻射熱が発せられる」という趣旨が述べられておりました。

この「冷」輻射熱は、当たった物から熱を奪うようです。
わたしのつたない知識では、全くこの「冷」輻射熱について理解が出来ません。
おわかりの方、教えていただけませんでしょうか。

DASS · Accepted Answer

ご質問は、「当たった物から熱を奪う冷輻射熱とは何か？」だと思います。

実生活においても、太陽やたき火に手をかざすと暖かく感じますが、温度が低い氷に手をかざしても冷たくは感じません。
もし冷たい物質から冷輻射熱がでているとしたら、雪や氷で作られた「かまくら」の中は、身も凍る寒さになってしまうと思われます。
本当に「冷輻射熱」というのはあるのでしょうか？

今までの皆さんの解説にもありましたように、物体間での赤外線のやりとりで物体の温度が変化するということに間違いは無いと思います。

ですが、どこかに温度の低い物体Ａがあって、近くにある（接触していない）物体Ｂの温度が低くなったとしても、それは物体Ｂが自分で放出している赤外線エネルギーのせいであって、物体Ａの冷輻射熱（すなわち積極的な関与）による現象ではないと思います。

どんなに低い温度の物体であっても赤外線を放出しており、赤外線とは（量の多少はあっても）エネルギーであり、エネルギーを受け取れば受け取った物体の温度は上昇するのがエネルギー保存則というものではないでしょうか？

「赤外線を放出しない」、または、「周囲より赤外線の放出が少ない」と言う物質はあっても、「物体を冷却できる冷輻射熱を放出する物質」が存在するとは思えません。

もし、物体Ｂを”積極的に”冷却するのであれば、それは物体Ｂより低エネルギーというような生やさしい物ではなく、絶対的なマイナスのエネルギーを”与える”事になるからです。

私としては、「当たった物体の熱を奪う冷輻射熱」とは、物事を考えるための手段や、人間の概念としては有効であっても、実際に放出したり、集めたりができるものであるとは思えません。

また、冬の窓付近が寒いのは、窓（ガラスや雨戸など）自身が冷たくなり、それに接触した室内の空気が冷やされるからです。
窓が冷たくならない工夫（真空２重ガラスなど）や、冷たい窓に室内の空気が接触しなくなる工夫（カーテンをするなど）をすれば、防げます。一度お試しを。
（もっとも、カーテンまでもが冷やされてしまっては意味がありませんが）

stomachman · Answer

ここで言う輻射とは、物がその温度に応じて放出している赤外線のこと。赤外線のやり取りが平衡状態にある時をゼロとして考えれば「冷」輻射熱という概念は実用的です。

　半径１の球形の部屋があって、その中心に何か小さい物体を置く。部屋の壁面と物体が同じ温度の時には、壁面も物体も同じスペクトル（波長の分布）を持つ赤外線を放出している。そうしますと、単位時間あたりに物体が放出する赤外線のエネルギーと、単位時間あたりに物体が受け取る赤外線のエネルギーは同じです。だから実質、物体における赤外線の収支はゼロである。かくて、いつまで経っても物体の温度は同じ。当たり前ですね。

　で、壁の一部が少々熱い場合はどうなるか。壁の全表面積4πのうち面積Aの部分が物体や壁の他の部分よりちょっとだけ（ΔT度）熱いとする。壁の温度分布はいつも一定に保たれているとしましょう。すると、Aの部分は他の壁や物体よりちょっとだけ多めに赤外線を出す。この多めの分が、物体を温める訳です。物体が出す赤外線より受け取る赤外線の方が多いからです。
（もちろん他の壁の部分も温めるけれど、壁の温度は変わらない仕組みだと仮定したから、その熱は部屋の外に捨てられている。また、Aの部分はエネルギーを失うのだけれど、これも部屋の外から供給される。）
　そうして、物体の温度はだんだん上昇し、一定値に達する。でもΔT度までは上昇しない。ΔTが小さいとき、「AΔTだけ上昇する」と近似できます。
　ではAの部分がちょっとだけ（ΔT度）冷たい場合はどうか。Aの部分は他の壁や物体よりちょっとだけ少なめに赤外線を出す。ですから、物体が出す赤外線より受け取る赤外線の方が少なく、長時間待てば物体の温度はAΔTだけ下降する。

　要するに、物体から熱源（もしくは「冷」熱源）を見込む立体角がA。物体の輻射の収支がプラス（あるいはマイナス）になることによって物体の温度が上昇（もしくは低下）する。

　収支がゼロである場合を基準にしてこれを言い直してみましょう。物体や熱源以外の壁が出す輻射を無視して、熱源から来る過剰な輻射だけ見れば、「熱源から物体へ輻射が一方通行で飛んできて物体を温めている」ことになる。（この見方において重要なのは、輻射量は熱源の温度で決まるのではなく、熱源と物体の温度差で決まるという事です。さもないと「長時間待てば物体の温度は幾らでも上昇する」という誤った結論に至る。）
　冷熱源の場合には、「物体から冷熱源へ輻射が一方通行で飛んで行って物体を冷やしている」ことになる。これを「冷熱源から物体へ冷輻射が一方通行で飛んできて物体を冷やしている」と言っても差し支えない。「冷輻射」などという物理的実体は存在しないのですが、仮想的に輻射のエネルギーの流れの向きを逆転したものと考えればつじつまが合う。熱源でも冷熱源でも効果は同じ。近づけばAが大きくなり、多くの（冷）輻射を受ける。温度差ΔTの絶対値が大きくなれば、それだけ（冷）輻射量も大きい。
　いちいち輻射の収支計算をしなくても、差額だけ計算すれば良いので、こっちの方が便利ですね。

　ΔTが大きい場合にはAΔTじゃいい加減過ぎで、もう少し真面目に輻射量を計算してやる必要があるんですが、ご質問の主旨から逸脱しそうだからこのへんで。

redbean · Answer

輻射は電磁波の放出のことで、熱に関して論じている文脈
では赤外線が主役ですね。

常温の物体も、もっと冷たい物体も輻射を行って熱のやり
取りをしていますが、温度の低い物体のほうが輻射の量は
小さいので、結果的に熱が冷たい物体のほうに吸収されて
いきます（ここでは伝導と対流は考えないことにします）。
これが正統派の物理学による説明です。

さて、ここで基準をずらして、
・熱い物体は輻射をする
・常温の物体は輻射をしない
・冷たい物体は「冷」輻射をする
としてみるとどうなるでしょうか。ちゃんと確かめたわけ
ではありませんが、輻射による熱のやり取りをかなりの
程度まで”破綻無く”説明できそうです。その意味で、
仮想的に「冷輻射」というものを導入してもいいんじゃ
ないか、となります。でも、普通はしませんよ。

こんな屁理屈をこねないで、「そんなもんあるわきゃない」
という回答のほうが良かったでしょうか。仮面ライダー
とかウルトラマンには「冷凍光線」なんてのがありましたね。

そういえば、「電流」は相変わらず電子の流れと逆方向に
流れていますね。訂正する機会を失うと、こんなことに
なってしまいます。

brogie · Answer

物理に造詣の深いお二人が回答されていますので補足することはありませんが、小生は冬になると、この冷輻射という現象を実感いたしております。

　部屋で座る時は、窓を背にしては、絶対座りません。それこそ、冷輻射熱で背中から体の心まで冷えてしまいます。冬に弱い小生ではありますが、こればかりは頑固に守っています。勤務先でも、机を窓の方に置いて、部屋の内側に座っていました。社長さんなどが、窓を背にして座っていらっしゃるのを見かけますが、冬は寒くて叶いません。

　しかし、冷輻射熱とはうまい表現ですネ？　初めて聞きました。
では、失礼します。

redbean · Answer

＞冷輻射では、ビームを絞れそうもないですね。

いや、できるんじゃないでしょうか。

例えば、懐中電灯で壁を照らすと明るい領域が丸く浮かび
上がりますが、電球のフィラメントを超低温の物質に
替えると、その領域が強く熱を奪われる領域になると
思います。

超低温フィラメント（なんじゃそりゃ）が単独であるだけ
だと、壁が発した赤外線を吸収するのは小さい点でしか
ありません。しかし、懐中電灯にセットした場合、壁の
「明るい領域」から発せられた赤外線が懐中電灯の前面
ガラスに入れば、結局フィラメントに到達して吸収されて
しまうことになります。つまり、壁から見て、吸収される
面積は小さい点から前面ガラスの大きさに拡大している
のですから、強く熱を奪われることになります。

赤外線が光の直進・反射・屈折の法則を満たすとするなら、
逆方向からの光も同じ光路を通ることを考えると「冷輻射」
も同じ法則を満たすことになるでしょう。そうすると、
「冷輻射」は凸レンズや凹面鏡で焦点に集めたり、レンズ
で結像させることができるという結論になります。

ホントかな？

「冷」輻射熱とは、なんでしょうか

ここで言う輻射とは、物がその温度に応じて放出している赤外線のこと。

輻射は電磁波の放出のことで、熱に関して論じている文脈

物理に造詣の深いお二人が回答されていますので補足することはありませんが、小生は冬になると、この冷輻射という現象を実感いたしております。

＞冷輻射では、ビームを絞れそうもないですね。

ご質問は、「当たった物から熱を奪う冷輻射熱とは何か？」だと思います。

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　ここで言う輻射とは、物がその温度に応じて放出している赤外線のこと。