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技術情報・コラム

もっと知りたい! 熱流体解析の基礎

第4章 伝熱


4.1 伝熱工学とは

  が伝わることを 伝熱 熱移動 といいます。そして、熱の伝わり方を扱う学問分野が 伝熱工学 です。伝熱には、 流れ が関わっている場合も多く、 流体力学 とも深い関わりがあります。伝熱工学の専門書の名前には幅があり、伝熱工学のほかに、伝熱学や輸送現象、移動現象などの名前がつけられているものもあります。

 なお、 熱力学 という学問分野もありますが、こちらは熱エネルギーからどのくらいの動力を取り出せるのかということを中心に扱う学問分野で、伝熱工学とは異なる内容になります。

4.2 温度と熱

 温度 とは寒暖の度合いを数値で表したものであり、℃ や K などの単位で表されます。単位が ℃ で表された温度は 摂氏温度 、単位が K で表された温度は 絶対温度 熱力学温度 と呼ばれます。両者の1度は同じ温度差を表しますが、それぞれ基準となる温度が異なっており、以下に示す関係があります。

摂氏温度 t [℃]=絶対温度 T [K] -273.15

例えば、0 ℃ は 273.15 K と等しくなります。また、0 K は理論上の最低温度であり、この温度を 絶対零度 といいます。

 ところで、物質は温度に応じた内部エネルギーを持っています。熱はこのエネルギーの形態の一つであるため、図4.1に示すように熱が流入すると物質の温度が上がり、逆に熱が流出すると物質の温度が下がります。移動する熱の量を 熱量 といい、単位は J です。また、装置の発熱量や能力などで単位時間あたりの熱量を表す場合には単位として W(= [J/s])が用いられます。

温度と熱の関係
図4.1 温度と熱の関係

 単位時間あたりに単位面積を通過する熱量のことを 熱流束 といいます。熱流束は大きさと向きを持つ ベクトル量 で、単位は W/m2 です。図4.2に示すように熱流束の大きさと熱流束の向きに垂直な面の面積を掛けたものはその面を通過する熱量になります。

熱流束と熱量
図4.2 熱流束と熱量

 もっと知りたい   仕事や電力量と J(ジュール)

 一般的に仕事というと職業やその業務のことを表しますが、物理学では「物体に力を加えて物体を力の方向に動かすこと」を 仕事 といいます。仕事は熱量と同じ J という単位で表され、1 N の力で物体を力の方向に1 m 動かすことが 1 J の仕事に相当します。

 一方、家電製品の消費電力は W(= J/s)で記載されていますが、消費電力に家電製品の使用時間(s)を掛けたものは消費電力量(J)となります。

 熱量や仕事、電力量などは形が違うだけでいずれもエネルギーの形態であるため、これらの単位には共通して J が用いられます。

 もっと知りたい   熱力学第一法則と熱力学第二法則

 熱力学における エネルギー保存則 として 熱力学第一法則 があります。

 熱力学第一法則は「 に加えられた熱量は、内部エネルギーの変化量と系から外部にした仕事の総和に等しい」というもので、エネルギーの形態が変わっても全体のエネルギーが保存されることを表しています。系とは注目しているひとまとまりのことを指す言葉で、英語の システム という呼び方が用いられることもあります。図4.3の例ではピストンとシリンダー、そしてそれらから構成される空間が系にあたります。

熱力学第一法則
図4.3 熱力学第一法則

 上の図では、シリンダー内の気体を加熱し、膨張した気体から仕事を取り出しています。熱力学の第一法則から、このときに加えた熱量Qと気体の内部エネルギーの増加量U、外部への仕事Wには、次の関係が成り立ちます。

Q = U + W

 一方、エネルギーの移動方向とその質に関する法則として 熱力学第二法則 があります。

 熱力学第二法則は「他に何の変化も起こすことなく、低温の熱源から高温の熱源に向かって熱を移すことはできない」というもので、自然に生じる変化は 平衡状態 に向かっていくことを表しています。

 図4.4は温度が異なる固体同士を接触させた例です。このとき、熱は温度が高いほうから温度が低いほうへと伝わり、2つの固体は最終的に同じ温度になります。熱を温度が低いほうから温度が高いほうへと伝えるためには、熱交換を行うために何らかの動力が必要となります。

熱力学第二法則
図4.4 熱力学第二法則

 熱力学第二法則にはいくつかの表現が存在し、ここで紹介したものは「クラウジウスの法則」と呼ばれていますが、その他の表現も本質的にはほぼ同じ内容を表したものになります。

 もっと知りたい   カロリー

 食品のパッケージなどにはエネルギーが記載されていますが、その単位として用いられている cal(カロリー)も熱量の単位の一種です。cal は水 1 g の温度を 1 ℃ 上昇させるために必要な熱量として定義されたもので、J との間には 1 cal = 4.184 J の関係があります。

 例えば、20代男性の平均的な一日あたりの基礎代謝量は約 1,500 kcal とされていますが、これは 100 L の水の温度を約 15 ℃ 上昇させるために必要な熱量になります。

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上山 篤史
著者プロフィール
上山 篤史 | 1983年9月 兵庫県生まれ
大阪大学大学院 工学研究科 機械工学専攻 博士後期課程修了
博士(工学)
学生時代は流体・構造連成問題に対する計算手法の研究に従事。入社後は、ソフトウェアクレイドル技術部コンサルティングエンジニアとして、既存ユーザーの技術サポートやセミナー、トレーニング業務などを担当。執筆したコラムに「流体解析の基礎講座 」がある。

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