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6 アップルパイと熱の伝導
1 口にやけどをしたランフォード
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水は、十八世紀末にランフォード伯（本名ベンジャミン・トムソン。一七五三～一八一四）がアップルパイを食べて口にやけどをするまでは、熱をよくつたえる物質（良導体）と思われていた。
彼はやけどしたあと、「水も、おそらくほかのすべての液体も、熱の不良導体だということを明らかにするために」実験しようと決意した。
ランフォード伯はすぐれた科学者だったが、料理した食べもののなかには、長い間あついままでいるものがいくつがあることに、たびたび気づいていた。
たとえばアップルパイや、アーモンド入り焼きリンゴ（当時人気のあった料理）はずいぶん長い間、熱いままだった。
彼はリンゴが異常なほど熱を保つ性質をもっているらしいのに、感銘を受けて、こう書いた。
「私はそれで口にやけどをしたし、ほかの人も同じ災難に出会ったのを見て、このおどろくべき現象を納得がいくように説明する方法をみつけようと努力したが、無駄だった。」①
彼は奇妙に感じて「同じような事故」と名づけたものを記述している。
あるとき鉄のストーブであたためた部屋の中で実験をしていた。食事として一碗（わん）のこい米スープがはこびこまれたが、そのとき彼は手が離せなかった。
それで召使に、冷えないように碗をストーブの上にのせておけといった。
彼の言葉を引用すれば、それから約一時間たって、 |
ランフォードはアップルパイで口にやけどをした
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「私はスープを一さじすくってのんだが、それは冷たいぐらいで、ひどくこかった。
二度目には、何気なくさじをもっと深くつっこんだが、この二さじ目は私の口をやけどさせた。
この事故は、私の心に、十二年前に私か何度もやけどした、あのアーモンド入り焼きリンゴのことを否応なしに思い出させた。」 |
一七九四年、彼はナポリの温泉を訪れた。
「温泉場ては岩石のあらゆる裂け目からあつい蒸気がふきだし、地面からも立ちのぼっていた。
私は近くの海岸に立ったとき、好奇心から手を水の中につっこんでみた。
海からは波がひっきりなしに次々おしよせてきて、岸の平らな砂地にくだけかかっていたから、私は水が冷たいのを知ってもおどろかなかった。
しかし、指先をつめたい水からさらに水底の砂の中へっっこんだところ、耐えられないほど熱くて、すぐ手をひっこめずにはいられなかったので、ほんとにびっくりした。
砂は完全にぬれていたが、それでも温度は二、三インチの距離でおそるしくちがっていた。
それまで水は大きな熱伝導力をもつと考えられていたのだが、それとこの観察を両立させることはできなかった。
それで私ははじめて、水の伝導力を疑いはじめた。」 |
ランフォード伯は、偶然に気づいた三つのできごとを考慮しなければならなかった。
一つは、熱いアップルパイが、表面は冷たくなっても、内部に長い間熱を保っていることだった。
汁が熱の良導体だったら、そんなことがありえようか？
もしそうなら、熱は汁を通って表面まで伝導され、そのあと冷たい空気の中に失われたはずである。
同じように、こい米スープを熱いストーブの上にのせておいたとき、表面は冷たいのに、底のほうはひどく熱かった。
なぜスープの底からはいった熱は表面まで伝導されなかったのか？
さらにまた、冷たい海水は、おそろしく熱い砂の上を流れているのに、表面は冷たいままでいた。
それは、砂からの熱が、三インチの深さの水を通して伝導されなかったからではないか。
2 ランフォード、対流を発見 top
しかしランフォードは、もう一つの「偶発事件」がアップルパイ、米スープ、熱い砂についての記憶を新たにするまでは、何の実験もはじめなかった。
ある日彼は特別製の温度計を使って実験していた。温度計の球部はうすい銅板でつくられ、直径は約四インチあった。
胴部は太いすきとおったガラス管で、銅の球部にさしこみ、液がもれないようすき間をぴったり封じてあった。
ランフォードはこの型の温度計をいく本もつくり、それぞれ種類のちがった液体をみたした。
その一つには酒精（エチルアルコール）を、管が耐えられるぎりぎりの高温にあたためて、つぎこんだ。
そのあと温度計を窓のところにおき、さました。その日はよい天気で、太陽は明るく管を照らしていた。
すぐに彼はたくさんの小さな粒子が液体の中をいそがしく動いているのをみつけた。
はてな？ と首をひねったが、まもなくその銅の球は、管をとりつける前二年間もほう立派なしにしておいたことを思いだした。
口にせんをしておかなかったから、その間にほこりが球の中にはいったにちがいない。
酒精の中で活発に上がったり下がったりしている粒子はまさにそれだった。
粒子は日光をあびてキラキラ光るので、その存在も動きもはっきりわかった。
ランフォードはレンズを通して粒子の運動をくわしく観察した。
その結果、上昇する粒子は管の中心部を通ってのぼるが、下降する粒子はみな管の側面近くを下りていくのをつきとめた。② |
ランフォードはレンズを通してほこりの粒子の運動を観察した
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ランフォードはこの現象の説明をあたえたが、ここでは今でも実験室でよく行なわれる実験を例にとって説明しよう。
色のついた固体物質でごく小さい粒をつくり、水を入れたビーカーの底に沈める。
つぎにビーカーの底の中央に炎をあてて、せまい部分だけ加熱する。
すると色のついた粒は動きだし、液体の中央部を上昇して水面までいく。
そのあと粒はビーカーのふちのほうへ移動し、側面近くを通って底まで下る。
底につくとそれはまた中央部へ吸いよせられ、ふたたび中央部を水面めがけて上昇していく。
こうして色のついた粒はビーカーの中をぐるぐるまわりの旅をつづける。
そのわけはこうだ。
ビーカーの底の中央部の上にある液体は、加熱されてまわりの部分より熱くなる。
水は熱くなるとふくれ、軽くなる。
そのためこの水の部分はビーカーの中央部を通って浮き上がる。
そのとき色のついた粒をいっしょにはこんでいく。
水面につくとこの液体の流れは冷たい空気にふれて冷やされ、重くなり、ビーカーのつめたい側面にそって下降する。
色のついた粒もそれにともなわれて、底へ向かって下りていく。
ランフォードは、温度計の管の中でごく小さなほこりの粒子が上がり下がりするのを偶然に観察したおかげで、液体内の熱の移動のメカニズムを明らかにする手がかりを得た。
熱い液体の粒子は、冷たい粒子より軽い（密度が小さい）ので、容器の中を上昇する。
それが冷たい表面に達すると、冷たい空気に冷やされ、重くなって下降する。
このようにして、液体粒子の上下運動により、熱が容器の下部から上部へとはこばれる。
粒子の運動によるこの熱の移動を「対流」とよぶ。
ランフォードが対流を発見するまでは、たいていの科学者は、液体内でも熱は固体内と同じに「伝導」とよばれる過程によって移動すると信じていた。
たとえば、鉄の棒の一端を熱すると、そこの粒子は熱くなり、となりにある粒子を加熱する。
これが次々につづくので、熱はリレー式に棒の端から端まで伝えられるが、その間粒子自体は一つも移動しない。
これが熱伝導である。
ランフォードの諸観察は、液体は熱を伝導によってはよく伝えないが、対流によってはかなりよく伝えることを証明する結果になった。
3 波瀾の生涯 top
ランフォードはきわめて冒険的な、波瀾に富む生涯を送った。
彼はアメリカに生まれ、イギリスに移住し（アメリカ独立戦争でイギリスに加担したため、独立後アメリカにいられなくなったのである）のも海をわたってバイエルン選帝候に軍人として仕えた。
選帝候は彼の抜群の功績に対し、神聖ローマ帝国伯爵の位を創設してさずけた（一七九〇年のこと。以後ランフォード伯と称す。ランフォードとは彼の最初の妻（かなり年上の金持の未亡人だった）が生まれ住んだアメリカの町）。
政治的、宮廷的、軍事的な仕事のほかに、ランフォード伯は当時の科学知識に大いに貢献した。
彼はイギリスに帰ってから、「王立研究所」の創立に尽力した。
これは科学的知識、実用的知識を推進し、普及し、拡大するたやの組織で、一七九九年に創設された。
彼はこの研究所でひきつづいて時間の大部分を科学研究についやした。
ランフォードは熱というテーマを独自の研究対象にえらび、これをありとあらゆる側面から追究した。
科学的な問題のほかに、台所のかまどの設計や、料理や暖房で燃料を最も経済的に使う方法といった日常的なことがらまでとりあげた。
実際、イギリスで今日使われている暖房は、彼の独創的な示唆に大変恩恵を受けているのだ。
（ランフォードの最大の科学的功績とされるのは、熱の力学的解釈をあたえたことである。
彼はミュンヘンで大砲の砲身の中ぐり作業を監督していたとき、作業中におびただしい熱が発生し、たえず水をかけて冷やさなければならないのに気づいた。
当時の正統的な学説では熱は重さのない一種の流体（カロリック）と考えられ、この現象は金属がけずられて細粉となるときカロリックが放出されるためと説明されたが、ランフォードは熱量があまりに多くそれではとうてい説明できないことをさとり、熱は中ぐり機械の機械的仕事が変換されて生じること、したがって熱は運動の一つの形であると結論した。
彼はある量の力学的仕事がどれだけの熱を生むか、つまり今日いう熱の仕事当量に相当するものまで計算したが、その見積もりは大きすぎた。
しかし彼のこの研究（一七九八年発表）はエネルギーの概念や熱力学第一法則の先駆をなすものと認められている。） |
出典
① Ｇ・Ｅ・エリス『ランフォード伯全集』（1876）第1巻
② Ｇ・Ｅ・エリス『ランフォード伯、サー・Ｂ・Ｂ・トムソンの思い出』（1871）
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