熱力学物理理科

「熱量の保存」-熱はどのように伝わるの?現役プラントエンジニアが解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「熱量保存」について解説していくぞ。熱量保存という単語が出てくるのは、高校物理の教科書だと思う。高校物理での概念が基本として、熱力学、伝熱工学に応用されているぞ。今回の記事では、熱量保存を説明し、熱の伝わり方について複数解説した。熱力学、伝熱工学を学ぶ方には興味深い内容になっているので、是非読んでみてくれ。
大学では熱流体工学関係の研究し、プラント関係で設計を行っているアヤコと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/アヤコ

現役のプラントエンジニア。大学では熱流体分野の研究を行い、就職後もプラントエンジニアとして流体に関係する仕事を行っている。流体力学は多くの人が難しいと思い毛嫌いする分野の半面、身の回りの現象は多い。楽しく理解できるよう解説していく。

熱量の保存につて

image by iStockphoto

お湯と冷水を合わせたらどうなりますかと聞かれて、ぬるま湯ができますと答えると思いますが、これを物理の理論を使って説明できますか。例えば、あるコップはお湯が入り、もう一方には冷水が入ったコップがあるとします。それらを接した時に、温かい水から冷たい水に熱を放出するのです。一方冷たい水は温かい水から熱が入ります。片方が放出した熱量ともう一方が受け取る熱量同じになるという法則が熱量保存の法則です。接した後に、十分な時間が経過後、お湯と冷水は同じ温度になり、熱平衡と言います。水が放出した熱量質量比熱とはじめの温度と平衡時の温度の温度差掛けた値になるのです。通常、熱量の発生場所は複数あるためそれらを図示にすることが重要になります。

流束(flux)とは

Flux diagram.png
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熱量はエネルギーになるためスカラー量になるのですが、上記の説明で受け取る熱量放出する熱量という説明をしましたが、厳密な計算をするときには熱量でなく、熱流束という方向を持つベクトル量で計算します。熱流束は、熱量を単位面積で割った値になるのです。つまり熱流束はある断面積を通過する熱量、熱が伝わる量と考えてください。熱流束は、フーリエの法則により、熱伝導率に温度勾配とマイナスを掛けたものになります。マイナスを掛ける理由は、熱力学第二法則「熱は高温から低温への移動」を考えると、進行先の温度が低くなるので温度勾配は必ずマイナスになるのです。ここでの要点は、熱量は、入る方向や出る方向を矢印で記載することことが重要になります。

また余談ではありますが、流束は熱流速以外にも、勾配速度で表される運動量の流束があり、シミュレーションで流体の多くの速度が記載されるような流体の速度場は、運動量の流束によって記載されるのです。

熱収支について

熱収支について

image by Study-Z編集部

「収支」という言葉は、例えば家計収支と言ったように、全体での出入りを計算することになります。熱量に関しても同様で、熱収支はある系に入る熱量と、出ていく熱量内部での発熱や吸熱量などの熱のやり取りの計算を指すのです。実際に熱の制御が必要な機械では、出入りする熱量は複数あります。そのため、もれなく熱収支を記載することが必要です。例えば図のように、ヒータでの加熱やペルチェ素子での冷却をする時はその系への出入りの矢印を記載し、空気などの放熱がある時は空気への矢印を記載します。図示した熱量をそれぞれ計算し、求めたい温度になるかを計算するのです。熱伝導の熱量や熱伝達の熱量がどのような式で表されるかは以降に説明します。

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熱量保存は、片方が放出した熱量ともう一方が受け取る熱量は等しくなるおいう法則だ。実際に温度などを計算する時は、物質からの熱の出の熱量と入る熱量を熱収支で説明したような図を書くことが重要だぞ。次は、どのように熱が伝播するのか、熱量の伝播の仕方の種類を学ぼう。

熱量の伝播の仕方の種類

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伝熱工学に登場する熱の伝播の仕方は複数あります。熱伝導率による熱伝導、物質から空気への放熱やポンプやファンなどで流れ(対流と言う)を作り、対流に物質の熱を伝達させる熱伝達、太陽や高温の物質からエネルギーを放つ熱ふく射です。またこの他にも相変化に伴う潜熱、顕熱、化学反応があれば、反応熱による熱量もあります。

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