今週(4/30)の平成教育予備校の理科の問題

Question

「ろうそくの上にらせん状の針金をかぶせると
火が消えるのはなぜか?」という問題で、
正解は、
「針金に熱が奪われるため」だそうです。
(詳しくは
http://www.fujitv.co.jp/yobiko/40/02/index.html
にて)

しかし、熱が奪われて火が消えるのでしたら、
ガスコンロで鍋や鉄板を温めたときにも
同じように熱が奪われて火が消えて
しまうと思います。
しかし、実際は火が消えることはありません。

鍋とらせん状針金には違う要素があるのでしょうか?
それとも「熱が奪われる」以外の理由が
あるのでしょうか?

tatsumi01 · Accepted Answer

全体にかぶせているからでしょう。鍋を温める場合は、先端から熱は奪われますが、次々と新しい燃焼物が補給されますからね。

昔の理科で、ローソクを吹き消すと火が消えるのはなぜか、という試験問題で正解は「熱が下がる」で、私の「燃焼物体が吹き飛んでなくなる」は０点でした。今でもおかしい（少なくとも０点ではない）と信じてます。

sanori · Answer

この問題の設定、上手く出来てますね。感心しました。

この問題の味噌は、金属がらせんになっていて（別に、らせんでなくても良いのですが）、その部分の熱が延々と、逃げていく経路があるということです。


空気の熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以下です。

一方、金属の熱伝導率は、鉄で１００弱～金・銀・銅で数百Ｗ／（ｍ・Ｋ）です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E4%BC%9D%E5%B0%8E%E7%8E%87

つまり、熱が伝わるスピードが３桁以上違います。

通常、ロウソクの炎（特に芯や根っこの部分）の周りの空気は、それほど頻繁に入れ替わらないので、炎にごく近い場所から、室温の場所（遠い場所）に渡って「温度勾配」（＝温度の位置微分≒温度の差÷距離）が発生しています。


もしも、空気が頻繁に入れ替わるのであれば、炎の付近も、ほぼ室温になってしまいます。
これは、息を吹きかけて炎を消したのと、全く同じ状況です。
つまり、燃焼に必要な温度以下に下がってしまったわけです。
（息や風を供給すれば、酸素豊富な新鮮な空気が供給されるのですから、発火点や燃焼点の問題さえなければ、かえって燃えやすくなるはずですから。）


この問題では、ロウソク付近の空気が金属に熱を奪われます。
そして金属はその代わり温度が上昇するのですが、らせん（でなくても良いのですが）の経路を通りながら、金属線を持っている実験者の手元方向に向かって、あっという間に炎の付近の金属部分の熱を奪います。

これは、いわば、電気がたまっているコンデンサに、アースにつながっている導線を接触させたときと似た状況になります。

（ちなみに、らせんの部分が太い場合（＝熱容量が大きい場合）は、伝わるのを待たずに、火が消える温度まで冷やしてしまいますが。）


ガスコンロについてですが、
もしも、急に鉄板を火元のごく近くに近づければ、火は消えます。

また、
燃焼途中にある状況についても考えますと、
鉄板は熱を逃がす経路が、周囲の空気以外にないので、いったん温度が上がってしまった鉄板は、実質、熱の経路を遮断されているのと、ほぼ同じ話になります。

w-palace · Answer

発生する熱と奪われる熱の大きさの関係でしょう。
発生している熱よりも大きなエネルギーが奪われれば、次第に温度が低下することになります。
結果的に、燃焼を続けるのに必要な温度以下に下がれば火が消えてしまうということだと思います。
ろうそくの上に普通の針金を数本のせたとしてもおそらく火は消えないでしょう。螺旋状の針金をのせて、効率的にエネルギーを奪ったからこそ火が消えたということでしょう。
ただ、実際のところは、螺旋状に針金をのせると、ろうそくに流れ込む空気の量などにも影響が及ぶかもしれませんので、そういった要因も関係しているかもしれないと思います。

今週(4/30)の平成教育予備校の理科の問題

全体にかぶせているからでしょう。

この問題の設定、上手く出来てますね。

発生する熱と奪われる熱の大きさの関係でしょう。

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