オーブンのなかのアルミは、何故、熱くならないか？

オーブンで、アルミホイールの包み焼きを作りました。オーブンは２５０度の温度設定です。できあがり、オーブンから出したところ、アルミ箔は、手で触っても常温でしたが、中は、ホクホクに熱くなり、調理材料には火が通っていました。

以上について、何故、このようになるのか、お教え頂けるとありがたい。　妻や子供に聞かれたのですが、説明できませんでした。よろしくお願いします。　私の想像は、「アルミは、極めて熱容量が小さいから。？？」

No.11 ベストアンサー 回答者： kudoi-oyaji 回答日時： 2006/04/10 22:53

＃５、＃７の者です。

ご無沙汰！（笑）

＞＞＞
Ｎｏ３です。
>アルミホイールでの包みで、内側のあっちっちになっている材料に接しているところであれば、熱かったはず、ということでしょうか。

熱いですよ。材料を直接触るより熱く感じると思います。
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なるほど。鋭い！
一番わかりやすいのですと、
料理のある、すぐ外側のアルミフォイルに触れば、その効果が抜群ですね。
これは、熱が
料理→アルミフォイル→指
という経路が「面」ですので、熱伝導が速いですね。

あとは、指に「１００℃の水（＝料理）」が触るのと、「１００℃のアルミフォイル」が触るのとの違いですよね。
この辺は、私は全然自信無いですが、たしか、金属に触れたほうが熱いんでしたっけ？
熱伝導が速い物体に熱伝導が遅い物体が接触すると、接触面での両者の温度が同じという境界条件のもとでは、接触面付近の温度のプロファイル（深さ分布）が、熱伝導が悪いほう（＝指）の方が急峻になるので、指の先っちょ付近は、ほぼ、アルミの温度と同じに保たれてしまい、一方、熱を感じる検出器（温点）もやはり先っちょ付近にありますから、アッチッチですね。
（つまり、指がアルミニウムで出来ていれば、指の表面の温度は少し下がって、そんなに熱く感じないのかも。）
ちょっと似た話ですと、４０℃の風呂と４０℃の大気だと、どっちが暑いかというクイズをどっかで見たんですが、答えは忘れました。

いずれにしろ、熱伝導の経路が「面」でなく、薄っぺらい経路であれば、指が冷やしたアルミフォイルは、なかなか元の温度には戻れませんし、後続の熱も、なかなか伝わってこれません。
フォイルの厚さとか料理の温度その他色々、関係する条件はありますけれども、料理から１ｃｍぐらいのところのアルミフォイルを触っても、そんなに熱くはないはず。


＞＞＞
また、Ｎｏ７さんにちょっと質問を。
>５０度のサウナの中に扇風機があれば、暑くて入っていられません。
むしろ涼しいのではないでしょうか？おそらくサウナの乾燥した空気から伝わる熱よりも汗の気化熱の影響の方が大きいと思うのですが。
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あちゃー、
かえって話を横道に行かせちゃったようで、ごめんなさい。＞質問者様

サウナに関しては、問題を複雑化させないためには、「汗かかない人間」で考えてください。
いずれ、風速が非常に速い状態ですと、汗は、すぐ乾ききってしまい、後続の汗が、じわじわと出るのを待たずに過酷な温風が当たり続け、ほとんど皮膚が乾燥した状態で、体温は、サウナ室の温度（より、ちょびっと低い温度）に刻々と近づいていくと思いますから、「汗かかない」と大体同じような状況になりそうです。

No.10 回答者： taunamlz 回答日時： 2006/03/31 02:11

No8です。

鳥は体温調節が空冷ですからね。
汗腺が無いため汗かかないみたいですよ。
なので、単純な比較はできないと思います。
http://homepage3.nifty.com/araitada/kiji/taion.htm

また、空調服の有効範囲のグラフです。（扇風機付き服）
http://www.rakuten.co.jp/pc2b/743464/
45度でも湿度が低ければ快適であるんですが、残念ながら50度までは書いて無いので何か根拠があるのかな？と思ったんです。
スチームサウナで扇風機は確かにつらいかも知れません。やったことが無いのでなんとも言えませんが。

あと、砂漠で服を着る理由って風なんですか？直射日光で火傷するのを防ぐためと聞いたことがある気がします。（湿度低そうですし）

>指がアルミを冷やしている
というのが今回の質問に対しての回答としてはすばらしい回答だと思ってます。
以前（仕事でしょうがなく）温度測定の研究をしたときに、なるべく小さいサーミスタを探した記憶がよみがえりました。

No.9 回答者： eqw-102 回答日時： 2006/03/29 01:12

鳥は、暑くなると無意識に飛んで涼を得ようとします。

しかし、体温を超える温度を境にこの現象は逆行をたどるそうです。

気温５０度の状態でも鳥は飛んで涼を得ようとします。
しかし、逆に体温はどんどん上昇して行き、
体内に熱が蓄積され、

いきなり飛んでいる鳥が落ちるのだそうです。＾０＾

もち、きーた話なんで責任は持ちません。＾＿＾；

５０度を超える気温の砂漠では、
風を避ける事が大切だそうです。

スチームサウナと、乾燥した電気サウナでは違うでしょうが、

私的に、
すさまじい空気の移動だけは勘弁してくれ。＾＿＾；

No.8 回答者： taunamlz 回答日時： 2006/03/28 12:59

Ｎｏ３です。

>アルミホイールでの包みで、内側のあっちっちになっている材料に接しているところであれば、熱かったはず、ということでしょうか。

熱いですよ。材料を直接触るより熱く感じると思います。
材料を直接触る場合、液体だったら大体水の熱伝導率なわけですが、金属の熱伝導率は水よりも良いです。
そして人の温度の感覚は「温度計」よりも「熱流測定器」と言えます。
同じ温度のものでも金属と木等では熱さの感覚が違います。これが熱流を測定していると言うことです。
温度計であればどちらも同じ温度を指すはずですから。

また、Ｎｏ７さんにちょっと質問を。
>５０度のサウナの中に扇風機があれば、暑くて入っていられません。
むしろ涼しいのではないでしょうか？おそらくサウナの乾燥した空気から伝わる熱よりも汗の気化熱の影響の方が大きいと思うのですが。

No.7 回答者： kudoi-oyaji 回答日時： 2006/03/28 02:17

うーむ。

＃５の者ですが、もうちょっと補足しておく必要があるような気がしてきました。

（実は、前回回答の最後の辺りで書こうとしていたのですが、話が複雑になるので、わざと書かなかったことです）

この問題は、

Ａ）温度が可変の１つの熱伝導配線（＝アルミフォイル）

そして、Ａに接する

Ｂ）温度が一定の１つの固体熱源（＝料理）
Ｃ）温度が一定の１つの固体冷却源（＝指）
Ｄ）温度が可変の１つの流体冷却源（＝空気のうち、アルミフォイルに接している部分とその付近の空気）

そして、Ｄに接する

Ｅ）温度が一定の１つの流体冷却源（＝空気のうち、アルミフォイルから遠いところの空気）

という５つの要素だけの、単純なモデルで、十分精度の良い結果が、解析的に（数学的に）求めることが出来ます。

上記で「温度一定」としているのは、温度を求めるべきアルミフォイルや付近の空気の熱変化に対して、は十分熱変化が少ないので、比熱が無限という扱いでよいという意味です。
（時間が経過するごとに、料理の温度は下がっていきますが、ある程度下がるのを待たず、アルミフォイルの温度は、あっという間に平衡状態に達しますし、この問題の主たる目的は、指で触った瞬間から、すぐ後までにおいての短時間の現象を理解することですから。）


方程式は、時間ｔによる１回微分方程式になります。
（式を書くのは面倒なので、言葉だけで説明しますね。）

無論、パラメータとして、アルミフォイルの厚さ、指から料理までの間のアルミフォイル中道のりの長さ等々も入れないといけません。

そして、全ての部分の温度が、時間に依存しなくなった平衡状態での、各値（式）を求めます。
すると、式の中から時間が消去されますから、残るものは、位置（ｘ、ｙ、ｚ）の関数になります。

なお、解く過程で、温度一定の熱源の効果は、定数（境界条件）として登場します。

そして、方程式の解として求まるのは、温度一定でないところ、すなわち、
・アルミフォイルの温度（←位置の関数）＝分布・勾配
・空気の温度（←位置の関数）＝分布・勾配
の２つです。


ここで私が何を言いたかったことの１つ目は何かというと、

「空気の熱伝導率が高ければ、指で冷やさなくても、アルミフォイルのすぐ近くの空気も、そして、アルミフォイルは冷える」
また、その逆で、
「空気の熱伝導率が低く、指も触れていなければ、アルミフォイルは熱い」
さらに、
「蛍光灯内部のガスの熱伝導率が高ければ、ガラスは１万度ぐらいになる」
です。

つまり、
「空気の熱伝導率が低いから、空気の効果は無視できる」（＝真空としても同じ話になる）


さらに、蛍光灯の場合は、
ガラスの外側から熱放射があり、かつ、空気に冷やされているから、その分、ガラスは熱くならないのです。
熱くないとはいっても、点灯中の蛍光灯を実際触ってみると、結構熱いですよね？
もしも、蛍光灯を、反射率の高いもので包めば、ポット（魔法瓶）や反射式ストーブと同じことで、どんどん熱くなっていきます。
包むものも冷えないように、理想的に閉じ込めれば、蛍光灯のガラスは、理論的には１万度程度になります。



では、次。

上記は「単純なモデル」にできるとしましたが、そうなるのは、
「流体Ｄ（フォイル付近の空気）が静止している」
ことを仮定したときです。

空気を動かせば、アルミフォイルは冷めやすくなります。
蛍光灯の中のガスが流れれば、ガラスは熱くなります。
５０度のサウナの中に扇風機があれば、暑くて入っていられません。


私の経験で言えば、
ビデオデッキで、ファンはありませんが、上部に通風孔があるのを１台持っていまして、その通風孔をふさぐ感じで、上に取扱説明書その他を置いた状態で、１週間以上使用していたことがあるんです。
そしたら、ある日、たまたまビデオデッキの筐体に触れたところ、信じられないほど熱くなっていました。
真夏の炎天下にさらされた鉄板に近いぐらいの熱さでした。
今、考えてみれば、その機種は、熱を発生しやすい構造だから、後ろだの上だの、あちこちに通風孔がついていたんだなー、（メーカーが、そういう設計をせざるを得なかったんだなー）（対流を利用して熱放出させるために、上に穴あけたのかなー）と思いました。

（みなさんも、ＰＣの通風孔を、他の機器、置物、ゴミ・埃などでふさいだりしないように注意してくださいね。）


熱伝導・伝達については、温度分布を求める方程式を立てるときに必要な要素を、すべて網羅しなければ、正しい理解は出来ません。
それを理解した上で、初めて、無視できる効果が、どれであるかも理解できるのです。

No.6 回答者： maekawadesu 回答日時： 2006/03/28 00:19

指で熱いと感じるためには、他の物質から指に熱（エネルギー）が移動してくる必要があります。

熱が移動してくる要因として、「熱伝導度」と「比熱」と「密度」などがあります。
接触すると、その部分はほぼ瞬時のうちに等温になると考えられます。このときに移動する熱量は、温度差、比熱、密度が大きいほうがより多くの熱が移動することになり、「熱い」や「冷たい」の感覚に関係してくる考えられます。
また、「熱伝導」により、周りから熱が供給されます。この効率は、「断面積」と「熱伝導度」に関係すると考えられますので、薄いということは伝わりにくいということになります。つまり、いったん冷めてしまうとなかなか周りのように熱くなりません。したがって、移動する熱量もすくなくなり、熱くないという感覚につながるのだと考えられます。

以上のことを踏まえると例えば、
・同じ部屋に置いてある（同じ温度の）金属と木は触ったときに木のほうが暖かく感じる。
・５０℃のサウナには入れるが、５０℃の風呂には入れない。
・蛍光灯の内部は数万℃もあるが封入管のガラスは溶けない。
などが説明できると思います。（ガラスは溶けると表現してもよいのかな・・・）

No.5 回答者： kudoi-oyaji 回答日時： 2006/03/26 23:23

金属の鍋を使って、ぐつぐつ料理を煮込んで、そのとき、鍋の金属部分に触って、アッチッチ！

という経験ありませんか？

アルミは熱伝導が良いですから、熱い料理に接している部分から、指で触るアルミの部分への熱の伝導は、非常に速いです。
ですから、鍋と同じくアッチッチにならないといけません。

では、なぜアッチッチにならないか？

それは、「指がアルミを冷やしている」からです。

一般に、物体の温度の測定は、その物体に変化を与えること無しに測定することはできません。
水銀の温度計も、空気や液体から熱をもらって水銀が膨張することにより測定できます。
赤外線などの放射によって計測する最新鋭の温度測定手段でさえ、物体の熱を閉じ込めず、露わにして放射をさせることによって成り立っています。

これと同様に、
「指でアルミの温度を測定する」ためには、アルミの熱を指が奪わないといけません。

つまり、
アルミフォイルは薄いので、熱容量が小さく、したがって、「指という計測手段によって著しく変化を受けている（熱を奪われている）」のです。
言い換えれば、

「指という温度計では、アルミフォイルの温度を正確に測れない！」

ですから、鍋のようにアッチッチにならないのです。


また、
料理からアルミフォイルにどんどん熱が供給されるのですから、やはり、一見、アッチッチになりそうな気がします。
しかし、熱伝導の経路となる「配線」の断面積が小さいので、いったん指によって冷やされてしまったら、そこから元の熱さに復旧することは出来ないのです。
（電気で、細い配線ほど電気抵抗が大きいのと同じ）



なお、
空気がアルミフォイルを冷やすためには、空気とアルミフォイルとの熱伝達率（伝導じゃなくて伝達ですよ）やアルミから空中への赤外線放射の問題になりますね。
しかしながら、実際、料理と非常に近い部分のアルミフォイルを触っても、そんなに熱くないですから、あまり主たる要因とは言えないと思います。

No.4 回答者： eqw-102 回答日時： 2006/03/26 23:04

アルミニウムの重量が、０．１グラムと軽く、

１グラムを２５０度に加熱した場合の１/１０程度のエネルギーしか蓄積出来ない事。

更に、空冷の面積が極めて大きい事。

つまり、熱エネルギーの絶対量が想像以上に低いのが
原因です。

ツメの先ぐらいの大きさの物を伸ばした物です。
すぐに冷えてしまいます。

＃３さんが、感覚的に素晴らしい回答をしていると思います。

No.3 回答者： taunamlz 回答日時： 2006/03/26 19:41

アルミの熱伝導率は銅の次ぐらいに良かったはずです。

しかもアルミホイールはアルミ箔とも言い、めちゃくちゃ薄いです。

だからすぐ冷めてしまうためです。

が、アルミ箔ほどの厚さの物なら他の大抵のものもあっという間に冷めてしまうと思います。
なので、金属の種類がアルミとかそういうことは置いておいて、最大の原因は”厚さ”だと思います。

No.2 回答者： lietti 回答日時： 2006/03/26 19:36

想像通りです。

加熱中は
同じ温度になっていますが、
薄くて表面積が広いので
さめやすいからです。