3種類の伝熱(熱伝導・熱伝達・熱放射)を理解する

【機械設計と熱力学8】3種類の伝熱(熱伝導・熱伝達・熱放射)を理解する熱力学

「伝熱の種類が知りたい…!」

「熱伝導率と熱伝達率って何がちがうんだっけ?」

「移動する熱量や温度差を求めたい」

このような疑問を解決します。

こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。

2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は機械設計士として働いています。

本記事では、熱力学を学ぶ第8ステップとして、「3種類の伝熱」について解説します。

この記事を読むとできるようになること。

  • 熱が伝わる仕組みがわかる
  • 熱の移動量が計算できる
  • 熱伝導率と熱伝達率の違いがわかる

今回は、3種類の伝熱の説明と、具体的な計算方法も紹介します。

仕事で伝熱を扱うという方は、ぜひ記事を参考にしてください。

前回の記事はこちら。

伝熱の種類は3つ

熱は物質ではなくエネルギーなので、物体から物体へ移動します。

この、熱エネルギーが物体から物体へ移動する現象が伝熱です。

ちなみに、ここで言う「物体」は、気体・液体・固体を問いません。

水が高いところから低いところへ流れるように、熱も高温の物体から低温の物体へ移動します。

熱伝導

内部に温度差がある固体では、高温域から低温域へ熱が移動します。

このような、1つの固体内における熱の移動が熱伝導です。

熱伝達

高温の流体(気体・液体)が、低温の固体表面を流れていると、流体から固体表面へ熱が急速に移動します。

反対に、高温の固体表面から、低温の流体への熱移動も同様です。

このように、流体と固体表面間の熱移動を熱伝達と言います。

熱放射

高温の物体と低温の物体が離れていても、熱は移動できます。

たとえば、太陽からの熱は、直接太陽に触れていなくても感じられます。

宇宙には空気がありませんから、熱を伝える物体がなくても熱は移動できるということです。

このように、離れた物体同士の熱の移動を熱放射(熱輻射)と言います。

以上をまとめると、伝熱の種類は以下のとおりです。

  • 固体内の熱の移動 →熱伝導
  • 固体表面と流体(液体・気体)間の熱の移動 →熱伝達
  • 離れた物体間の熱の移動 →熱放射

伝熱の種類

熱伝導とは

熱伝導では、熱の移動速は温度差に比例して、移動距離に反比例します(フーリエの法則)。

これを式で表すと、以下のとおり。

熱伝導率

ここで、kは熱伝導率[W/(m・K)]といい、熱の伝わりやすさを表します。

熱伝導率は、材料ごとに値が決まっており、熱伝導率が大きいほど熱が伝わりやすいです。

以下に、代表的な材料の熱伝導率を示します。

代表的な物質の熱伝導率

実際の設計では、「熱伝導をよくしたいけど、重量は軽くしたいからアルミを選定する」といった感じで、熱伝導率や重量、強度など、さまざまな要因を考慮して材料を選定します。

熱伝達とは

熱伝達における熱の移動量は、熱伝達率h[W/(m2・K)]によって決まります。

熱伝導率

ここで、熱伝達率は、熱伝導率のように材料固有の値ではなく、流れの状態や壁面の表面粗さによって決まる係数です。

たとえば、流速が増加すると、熱伝達率は大きくなるため熱の移動量も増加します。

扇風機の風速を強くするとより涼しく感じるのは、流速が増加して熱の移動量が大きくなるためです。

熱放射(熱輻射)とは

熱伝導や熱伝達とちがい、熱放射では離れた物体間で熱移動が行われ、その中間に媒体は必要ありません。

これは、電磁波を介して熱が移動しているためです。

電磁波は「波」なので、真空中でも伝わります。

電磁波とは

放射線、光、電波、電磁界の総称。

波長ごとに性質が異なり、X線や紫外線、赤外線などの種類がある。

固体の物体は、あらゆる波長の電磁波を放射・吸収することができます。

高温物体から放射された電磁波は、低温物体側で吸収されてエネルギーとなり、物体の温度を上昇させるのです。

たとえば、電子レンジはマイクロ波を放射して、食品に含まれる水分子を振動させることで加熱します。

他にも、ストーブやこたつ、遠赤外線ヒーターなど、熱放射を利用した製品は身の回りにたくさんあります。

興味がある方は、詳しく調べてみると面白いでしょう。

まとめ:熱が伝わる方法は熱伝導・熱伝達・熱放射の3つ

まとめ:熱が伝わる方法は熱伝導・熱伝達・熱放射の3つ

記事のポイントをまとめます。

  • 熱は高温の物体から低温の物体へ移動する
  • 固体内の熱の移動が熱伝導
  • 固体表面と流体(液体・気体)間の熱の移動が熱伝達
  • 離れた物体間の熱の移動が熱放射

以上です。

熱の伝わり方は、熱伝導・熱伝達・熱放射の3種類。

実際には、上記3つの組み合わせによって熱が伝わる場合が多く、複合熱伝達によって熱の移動が行われています。

次の記事はこちら。

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