「新卒で機械設計をやっているけど、熱力学がわからなくて困っている…」
「熱力学を勉強したいけど、何から始めればいいかわからない」
「おすすめの勉強法があれば知りたい…！」
このような疑問や悩みにお答えします。
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、現在は製造装置メーカーで機械設計士として働いています。
本記事では、機械設計の仕事をするうえで必須な「熱力学の基礎知識」をまとめました。
難しい公式はひとまず置いておいて、「実際の仕事で役に立つ熱力学」です。
現役の機械設計士である僕が設計士目線で熱力学の基礎を解説しています。
具体例を出しながら説明するので、熱力学が苦手な方でもわかりやすいはず。
これから熱力学を勉強する方や、若手機械設計士の方にぜひ参考にしてもらいたい内容です。
初心者が熱力学の基礎を習得するための10ステップ
設計初心者が勉強するならこの順番という流れで、10個のステップにわけて解説していきます。
はじめのうちは、完璧に理解できなくてもOK。
実際ぼくも、仕事でわからないことが出てきたら、その都度ネットや本で調べたりしています。
まずは「そういう原理があるんだ」という感じでザッと読んでみて、自分の仕事に関係がありそうな所があれば、2回3回と読み返してみてください。
ステップ1：熱力学とはどういう学問かを理解しよう
まずは、熱力学がどういう学問なのかを理解しましょう。
熱はエネルギーであり、機械的なエネルギー（仕事）に変換することができます。
熱力学とは、その名のとおり「熱」を「力」に変換するための学問です。
下記記事では、「そもそも熱ってなに？」「熱エネルギーが仕事をするってどういうこと？」という方向けに、熱とエネルギーと仕事の関係を説明しています。
ステップ2：3つの温度単位を理解しよう
熱とは何かを理解したら、次は温度の単位について理解しましょう。
温度には、摂氏(℃)・華氏(°F)・絶対温度(K)という3つの単位があります。
機械設計の仕事では、普段の生活でもよく使う摂氏温度(℃)を使うことがほとんどですが、具体的な計算をする場合は絶対温度(K)を使いますので、知っておくと役に立ちます。
ステップ3：気体の状態方程式を使いこなそう
ステップ3からは、具体的な熱力学の法則に入っていきます。
まずは、高校の物理や化学でも習う状態方程式について。
機械設計において熱を扱ううえで常識となる概念ですので、式を暗記するだけでなく、意味まで理解できるようにしておきましょう。
ステップ4：熱力学第一法則を理解しよう
つづいては、熱力学第一法則です。
熱力学第一法則とは、エネルギー保存則のこと。
下記記事では、ややこしい式や単語はひとまず置いておいて、熱力学第一法則の意味と使いどころを説明しています。
熱効率や損失など、製品を設計するうえでも重要な概念が出てくるので、確実に理解しておきましょう
ステップ5：熱サイクルと可逆変化を理解しよう
ステップ5は、熱サイクルの基礎となる可逆変化・不可逆変化についてです。
ステップ4で出てきた熱効率や損失についても深堀りしているので、合わせて勉強することで理解が深まります。
ステップ6：熱サイクルの種類と代表例を知る
ステップ6では、熱サイクルの種類について解説します。
大学の授業で習ったけど、「カルノーサイクル…？「オットーサイクル…？」という方も多いですよね。
下記記事では、熱サイクルの種類を代表的な熱機関と一緒に紹介しているので、授業よりもわかりやすいかと思います。
ステップ7：流れのある気体のエネルギー保存則を知る
ステップ7は、少し発展的な内容。
熱力学の中でも「流れのある気体の熱力学」について解説します。
ロケットのエンジンや蒸気タービンのような、気体を高速で流すことで力（仕事）を得るような製品を設計する方には、必須の知識です。
熱力学だけでなく、流体力学の知識も必要になるので、合わせて勉強するとより理解が深まるでしょう。
ステップ8：3種類の伝熱を理解する
ステップ8は、熱力学でも重要な「伝熱」についての学習です。
熱が伝わる原理には、熱伝導・熱伝達・熱放射の3つの種類があります。
実際に製品を設計する際は、上記3つのうちどれか1つではなく、複数が組み合わさった複合熱伝達を考慮する必要があります。
それぞれの仕組みを理解しておくことで、より精度の高い製品が設計できるようになるはずです。
ステップ9：材料の熱応力を理解しよう
さいごは、熱力学と材料力学に関連した内容です。
物体の温度が変化すると、熱応力が発生します。
材料の熱応力や熱膨張の影響を考慮して設計しないと、思わぬトラブルを引き起こす可能性があるので、確実に理解しておきましょう。
ステップ10：参考書で熱力学の知識を深めよう
ステップ9までで熱力学の基礎はひと通り解説してきましたが、より深く学びたい方は参考書で勉強するのがおすすめです。
下記記事では、僕が実際に使ってよかったと感じた参考書を紹介しています。
興味がある方は、ぜひ参考にしてみてください。
まとめ：熱力学を制する者は、機械設計を制す
以上、熱力学の基礎と勉強法を紹介しました。
大学の授業とは違って、設計士目線でわかりやすく解説したつもりですが、1回読んだだけじゃイマイチ理解できなかったという方も多いと思います。
機械工学の知識は、座学よりも、実際に仕事で使いながら調べたり勉強したりした方が確実に習得が早いです。
僕自身、「仕事でわからないことが出てくる→ネットや本で調べる→設計に活かす」という経験を繰り返しながら、今回紹介した内容を覚えてきました。
「半分くらいしか理解できなかった」という方は、実際に仕事で使うようになってから、また本記事を読み返してみることをおすすめします！
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