科学

金属を触るとなぜ冷たい？温度が低いわけではない

「冷たさ」は温度そのものではない

皮膚には温度計が埋まっているわけではありません。感じ取っているのは、手から熱がどれだけ速く逃げていくかです。

熱がすばやく奪われて皮膚の温度が下がると、脳はそれを「冷たい」と受け取ります。逆に熱がなかなか逃げなければ、同じ温度のものでも冷たく感じません。

部屋に長く置いてある物は、どれも部屋の空気と同じ温度になっています。金属だけが特別に冷えているわけではありません。違うのは、触れたときに手の熱がどこまで速く奪われるかです。

熱の伝わりやすさは数字で比べられる

材料が熱をどれだけ伝えやすいかは、熱伝導率という値で表されます。単位はワット毎メートル毎ケルビンです。

ジョージア州立大学がまとめた表によると、銀は406、銅は385、アルミニウムは205、鉄は79.5、鋼は50.2。ガラスとコンクリートは0.8、水は0.6です。これに対して木材は0.04〜0.12しかありません。

銅と木では3,000倍以上の開きがあります。空気は0.024とさらに小さく、発泡スチロールも0.033です。セーターや発泡スチロールが暖かいのは、素材そのものより、中に閉じ込めた空気が熱を通しにくいからです。

触れた瞬間の温度は計算できる

実は、冷たさをより正確に決めるのは熱伝導率だけではありません。熱伝導率に「密度」と「温まりにくさ（比熱）」を掛けて平方根をとった、熱浸透率という値です。熱をどれだけ素早く受け取れるかを表します。

温度の違う2つの物が触れると、接している面の温度は、それぞれの熱浸透率で重みをつけた平均になります。計算のため、手の皮膚を33度として、20度の物と60度の物に触れた瞬間の接触面の温度を出してみました。

家でも確かめられます。同じ大きさの氷を、アルミのフライパンと木のまな板の上に並べて置いてみてください。どちらも室温なのに、フライパンの上の氷のほうが目に見えて早く溶けます。金属が周りの熱を氷へどんどん運ぶからです。

同じ考え方で、身近な物の冷たさも説明できます。石の台所カウンターやタイルの床は、花こう岩の計算のとおり木より数度低い接触温度になり、冬の朝ははっきり冷たく感じます。フローリングが素足でもタイルほど冷たくないのは、木の熱浸透率が石の数分の1しかないからです。

触り続けたときの違いもあります。木は熱が奥へ逃げにくいので、手が触れている表面がすぐに温まり、冷たさはすぐに薄れます。金属は受け取った熱を全体へ広げてしまうため、表面が温まりにくく、握っているあいだ冷たさが続きます。

金属だけが速い理由は電子にある

木やプラスチックの中では、熱は原子の振動が隣へ隣へと伝わる形でしか進みません。これは時間がかかります。

ところが金属の内部には、特定の原子に縛られず動き回る電子があります。自由電子と呼ばれるものです。金属に電気が流れるのはこの電子のおかげですが、同じ電子が熱も一緒に運びます。

金属が電気も熱もよく通すのは、担い手が同じだからです。電気をよく通す銀と銅が、熱伝導率でも上位に並ぶのはこのためです。

この関係は19世紀に見つかっています。1853年、ヴィーデマンとフランツは、同じ温度なら、熱の伝えやすさと電気の通しやすさの比がどの金属でもほぼ同じ値になると報告しました。1872年にはローレンツが、この比が温度に比例することを示しています。電気をよく通す金属は、熱もよく通す。触ったときの冷たさは、電気の通しやすさとほぼ連動しているわけです。

冷たさを感じ取るセンサーの正体

皮膚には冷たさを受け取る専用のセンサーがあります。TRPM8という名前のたんぱく質で、2002年にデービッド・ジュリアス氏とアーデム・パタプティアン氏の研究室がそれぞれ独立に見つけました。

TRPM8は、温度がおよそ26度を下回ると働き始めます。表の計算で、木に触れたときの接触面は28〜30度、金属では20度前後でした。金属に触れると、このセンサーが働く温度帯まで皮膚が一気に冷やされるわけです。

ミントを口に入れるとひんやりするのも、メントールがこのセンサーを直接押すからです。実際にTRPM8は、メントールを手がかりにした実験で見つかりました。両氏は温度と触覚の受容体の発見で、2021年のノーベル生理学・医学賞を受賞しています。

夏には逆のことが起きる

真夏の駐車場で車のドアに触れると、木のベンチより熱く感じます。理由は冬と同じです。

表の右の列を見てください。60度の木に触れても、接触面は40〜44度ほどにとどまります。60度のアルミや銅では、接触面は約59度。皮膚の表面がほぼ金属と同じ温度になります。

熱い刺激を受け取るのはTRPV1というセンサーで、ジュリアス氏らが1997年に、痛みを感じるほどの高温で働くことを示しました。同じ60度でも、金属のほうがやけどの危険が高いのはこのためです。冬に金属の手すりが冷たいことと、夏に金属が危ないことは、同じ現象の裏表です。

よくある疑問

金属は本当に木より温度が低いのですか？

同じ部屋に長く置いてあれば、温度は同じです。違うのは熱を奪う力で、アルミは木の数十倍の熱浸透率を持っています。触れた瞬間に皮膚の表面が何度まで下がるかが、冷たさの差になります。

プールの水が気温より冷たく感じるのも同じ理由ですか？

同じ理由です。水の熱浸透率は1.6で、空気の約270倍あります。気温と水温が同じ25度でも、水に入ったほうが体の熱をずっと速く奪われます。同じ計算では、25度の水に触れた瞬間の皮膚の表面は約28度で、25度の空気の中ではほぼ33度のままです。

金属の種類によって冷たさは違いますか？

ほとんど違いません。熱伝導率では銅がアルミの約2倍ですが、計算すると20度の物に触れた瞬間の接触面は、アルミで約20.5度、銅で約20.3度です。どちらも皮膚の熱浸透率を大きく上回るので、手にとっては同じように冷たく感じます。

まとめ

金属が冷たく感じるのは、温度が低いからではなく、手の熱を奪う力が大きいからです。計算すると、20度の木に触れても皮膚の表面は28〜30度にとどまりますが、20度の金属ではほぼ20度まで下がり、冷たさのセンサーTRPM8が働く温度帯に入ります。夏に金属が熱く危ないのも同じしくみです。手のひらが測っているのは温度ではなく熱の動きだと覚えておき、まずは氷を金属と木の上に置いて、溶ける速さの違いを見てみてください。

← 記事一覧へ戻る