伝熱工学

伝熱|熱はどのようにして伝わるのか|伝熱の3形態を事例を基に解説

伝熱工学

 学びの出発点として伝熱にはどういった形態があるのかを身近な事例としてエアコンを取り扱って解説します。

1. エアコンを事例にした伝熱

 ルームエアコンを基に解説したいと思います。次の写真をご覧ください。冷房の場合、暖かい室内の空気の熱が冷たい熱交換器のチューブ内に流れる冷媒にどう伝わるのかを考えます。

次のイラストを見てください。一般的に伝熱工学では、このような伝熱(もしくは熱の移動)の形式を「熱伝導」「熱伝達」「熱放射」の3つに区別しています。

1-1. 熱伝導

 図の様に冷媒が通るチューブ(パイプ)の管の個体部だけをかんがえると、その外壁は空気に接して温度が高く、内壁は冷媒に接して低温です。この管の個体部を熱は高温部から低温部へ移動します。このような伝熱形式を熱伝導と呼びます。

 熱伝導は個体の内部に生じる伝熱形式であって、熱は温度の高い分子から、それに接する温度の低い分子へをつぎつぎと分子間を直接伝播していきます。この伝熱の方向は、熱力学第二法則によって必ず高温側より低温側に向かいます

熱伝導は電子や原子の振動エネルギーとして伝わります。 自由電子を持たない物質では原子間の振動で熱を伝えますが、金属では自由電子の振動でも熱を伝えることができるので、多くの金属が熱の良導体となります。なので、熱を伝えやすい金属は電気を流しやすいんです。

1-2. 熱伝達

 空気からチューブの管外壁面へ、あるいは管内壁から冷媒へ熱が伝わる場合の様に、熱伝達は運動している気体または液体から個体壁へ、あるいは逆に個体壁から気体または液体に熱が伝わる伝熱形式です。この場合、熱は気体または液体側に生じる境界層を通じて壁に伝わり、対流熱伝達とも言います。

 対流熱伝達はその気体または液体の運動(もしくは対流)の原因により自然対流熱伝達強制対流熱伝達に区別して取り扱います。

扇風機の風に当たると涼しく感じるのは、この強制対流熱伝達で体表面の熱を風が積極的に奪っているからなんです。

1-3. 熱放射(熱輻射)

 高温の空気からチューブの管外壁面へ直接に熱放射線によって熱エネルギーが移動する場合の様に熱エネルギが中間の物質には無関係に、赤外線や可視光線を含む電磁波である熱線の形をとって伝達させる伝熱形式を熱放射もしくは熱輻射と言います。熱線の一部はそれが衝突した物体の表面の内部で吸収され、残りは反射されます。

黒い服を着ていると暑いのは、太陽の放射熱を吸収しているからなんです。可視光を反射しないから色が黒い、とも言ってもいいですね。

また、空に雲がない日の朝は涼しく(寒く)なりますが、これは地表の熱が宇宙に放射されているからです。雲がある日の朝が比較的あたたかいのは、放射を雲が反射して地表に戻してあげるからなんですね。

1-4. 熱通過

 一般の熱異動では、これらの三つの伝熱形式をあわせて考えるのが普通で、この複合された熱の移動を熱通過と呼びます。
 最初の図を事例に熱通過を説明すると、空気から水への熱通過は空気側の熱放射と対流熱伝達、管壁内の熱伝導、水川の対流熱伝達の四者の複合となります。

2. まとめ

 伝熱学は以上の「熱伝導」「熱伝達」「熱放射」の三基本形式を基に熱の移動を研究する学問で、特に工業上現れる伝熱の問題を伝熱工学として取り扱い、どのように複雑であっても上の三基本形式に分解することができます。

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