耐火物は熱を受けながら操業する。熱を受けることによって耐火物自身はさまざまに変化していく。熱でまったく変化しない耐火物があれば鬼に金棒だが、万能な耐火物は存在しない。耐火物に必要な諸特性を説明する前に、耐火物への熱の伝わり方を説明しなければならない。本稿では３種類の熱の伝わり方のメカニズムを説明する。

熱の伝わり方(＝熱移動)の3種類は、伝導、対流、放射(＝輻射)である。地球上の法則が成り立つ限り、熱移動は温度の高いところから低いところへ起こる現象である。標高の高いところから低いところ(標高差のある)へ流れる水の流れや、電位の高いところから低いところ(電位差のある)へ流れる電気の流れと同じ現象である。

• 伝導：物体をとおして熱が伝わること。図１に示すように、金属棒を手にもって反対の端を火にかけるとじわじわと暖かくなってくる。これは金属棒の高温部分から低温部分への熱の移動現象による。熱を運ぶ媒体は金属棒を構成する原子であり、金属原子が熱のエネルギーを受けて振動することで熱が伝わっていく。これとは逆に金属棒を冷却すると金属原子の振動が緩やかになって温度が低下していく。この現象は特に固体の場合の現象です。

図１

• 対流：高温流体がそれより低温の空間の流れこむこと。図２に示すように、エアコンの吹き出し口から室内に向かって温風が吐出されています。エアコンの暖かい温風とそれより温度が低い室内の温度差によって、室内に流体が循環する熱の移動現象である。熱を持った空気の分子が室内の空間を自由に移動し、室内の空気に熱が伝わっていく。流体(液体や気体)の温度が上昇するとその体積が増加して密度が低下し、温度が下降すると体積が減少し密度が大きくなる。温度変化によって流体の密度が変わることで、上昇したり下降したりと流動する現象である。冬の部屋の天井付近は暖かく、床付近は冷たいことで理解してもらえる。

図２

• 放射(＝輻射)：発熱した物体から照射された電磁波により加熱されること。皆さん日常に放射のご利益を受けている。図３に示すように、電子レンジで食品を温めたり、太陽の光を浴びると身体が暖かくなったりする。電子レンジはマイクロ波を放出し、食品の水分が短時間で急激に暖かくなる。一方、太陽から放たれた赤外線は身体が吸収して温くなる。ストーブに手をかざすと暖かいことも同じ現象である。放射はあるエネルギーをもつ電磁波が照射された対象物が発熱する現象である。電子レンジの場合、2.45 GHzの振動数(波長約122 mm)のマイクロ波を水分子のOH結合が吸収し、OH結合の振動が激しくなる。水分子の振動が活発になると水の温度が上昇し、その結果食品が温められる。あるエネルギーをもつ電磁波が伝播し、そのエネルギーが熱として移動した現象である。放射は輻射とも呼ばれる。放射の特徴は、熱伝導・対流と異なって媒体を必要としない。空間や真空中でもエネルギーを熱として移動させることができる。

図３

このように熱移動は温度の高い物体から低い物体へエネルギーが移動する現象を指す。３つの現象を図４にまとめた。３つの熱移動の違いは熱を運ぶ方法の違いであり、加熱、蓄熱、遮熱、断熱等、熱の出入りを制御する方法を考えるときの重要な因子となる。これらの因子は耐火物の熱的・機械的特性と密接に結びついている。

図４