出典：建築物衛生管理技術者試験令和4年度(2022年)｜空気環境の調整第48問
問題
熱放射に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) 白色ペイントは、光ったアルミ箔（はく）よりも長波長放射率が小さい。
(2) 物体表面から放射される単位面積当たりの放射熱流は、絶対温度の4乗に比例する。
(3) 同一温度の物体間では、長波長放射に関し、放射率と吸収率は等しい。
(4) 一般的なアスファルトの長波長放射率は、約0.9である。
(5) 常温物体から射出される電磁波は、波長が10μm付近の赤外線が主体である。
ビル管過去問｜熱放射 放射率・ステファンボルツマンの法則を解説
この問題は、熱放射の基本事項である放射率、吸収率、ステファン・ボルツマンの法則、常温物体が放射する赤外線の波長帯について理解しているかを問う問題です。正しい知識を整理すると、一般に白色ペイントのような塗装面は長波長放射率が高く、光沢のあるアルミ箔は長波長放射率が低いです。また、放射熱流は絶対温度の4乗に比例し、熱平衡にある場合は放射率と吸収率が等しくなります。アスファルトは放射率が高い代表例であり、常温物体はおおむね10μm付近の赤外線を多く放射します。したがって、不適当なのは(1)です。
(1) 白色ペイントは、光ったアルミ箔（はく）よりも長波長放射率が小さい。
不適切です。その理由は、白色ペイントのような一般的な塗装面は、見た目の色が白であっても長波長放射に対しては比較的よく放射する性質を持つからです。一方で、光ったアルミ箔のような金属光沢面は、長波長放射率が非常に小さいことで知られています。ここで注意したいのは、見た目の白さと熱放射のしやすさは同じ意味ではないという点です。可視光に対して白く見えることと、赤外線領域での放射率が小さいことは別問題です。そのため、この記述は大小関係が逆であり誤りです。
(2) 物体表面から放射される単位面積当たりの放射熱流は、絶対温度の4乗に比例する。
適切です。その理由は、物体表面からの放射熱流はステファン・ボルツマンの法則で表され、絶対温度の4乗に比例するからです。温度を摂氏ではなく絶対温度で考える点が重要です。例えば、物体の温度が少し上がるだけでも、4乗の関係によって放射量は大きく増加します。空気調和や建築環境では、壁や天井、床などの表面温度が変わることで放射による熱のやり取りが大きく変化するため、この法則は非常に基本的な知識です。
(3) 同一温度の物体間では、長波長放射に関し、放射率と吸収率は等しい。
適切です。その理由は、熱放射におけるキルヒホッフの法則により、熱平衡の状態では同じ波長に対する放射率と吸収率は等しくなるからです。建築物の表面同士が同一温度で向かい合っている状況を考えると、ある面が放射しやすい性質を持つなら、同時に相手からの放射も吸収しやすい性質を持つことになります。この関係は、放射率だけを単独で暗記するのではなく、吸収率との対応で理解しておくと整理しやすいです。
(4) 一般的なアスファルトの長波長放射率は、約0.9である。
適切です。その理由は、アスファルトは長波長放射率が高い材料の代表例だからです。一般に、つやのない黒っぽい非金属材料は赤外線をよく放射し、放射率が高い傾向があります。アスファルト舗装は日射を受けて高温になりやすい一方で、長波長放射によって熱を放出する性質も持っています。試験では、アスファルトやコンクリート、塗装面などの放射率が比較的高く、磨かれた金属面が低いという対比がよく問われます。
(5) 常温物体から射出される電磁波は、波長が10μm付近の赤外線が主体である。
適切です。その理由は、常温付近の物体が放射する熱放射は、主として長波長の赤外線領域に分布し、そのピークはおおむね10μm付近になるからです。これはウィーンの変位則で説明できます。太陽のような高温の物体はより短い波長の放射が中心になりますが、室温程度の壁や床、人の体表面などは長波長赤外線を主に放射しています。建築環境でいう放射熱のやり取りは、この長波長赤外線を中心に考えることが大切です。
この問題で覚えるポイント
熱放射では、物体が電磁波として熱をやり取りする仕組みを理解することが重要です。まず、放射熱流はステファン・ボルツマンの法則により絶対温度の4乗に比例します。温度は必ずケルビンで考える必要があります。次に、放射率は物体がどれだけ放射しやすいかを示す値で、1に近いほどよく放射します。一般に、非金属でつやのない面は放射率が高く、アスファルト、コンクリート、塗装面などは0.9前後の高い値をとります。これに対して、磨かれたアルミニウムなどの金属光沢面は放射率が非常に低いです。また、熱平衡では放射率と吸収率が等しいという関係も頻出です。さらに、常温物体が放射する電磁波は主に長波長赤外線であり、ピークは10μm付近です。可視光で白く見えるか黒く見えるかと、長波長放射率の大小は必ずしも一致しないことも重要です。見た目の色ではなく、赤外線領域での性質として覚えることが正誤判断につながります。
ひっかけポイント
この問題のひっかけは、見た目の印象をそのまま熱放射の性質に結びつけてしまう思考の罠にあります。白色ペイントという言葉を見ると、白は熱を反射しそうだから放射率も小さいはずだと考えやすいですが、これは可視光の反射と長波長赤外線の放射を混同した誤りです。試験作成者は、日常感覚ではもっともらしく見える表現を使って、可視光と赤外線の違いを理解しているかを試しています。また、ステファン・ボルツマンの法則では温度の4乗という強い依存関係が問われやすく、ここを2乗や3乗と混同する受験者も多いです。さらに、放射率と吸収率の関係も、条件を無視して常に成り立つ公式のように覚えてしまうと危険です。熱平衡という前提を意識して理解しておくことが、今後の類題でも引っかからないための鍵になります。
