伝熱

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伝熱(でんねつ、: heat transfer[1])とは、エネルギーが、空間のある場所から別の場所に移動する現象熱移動ともいう。伝熱は、熱の移動現象を扱う工学であり、熱工学の一分野である。

伝熱の形態[編集]

温度差温度勾配を駆動力として熱移動が起きる現象は、熱伝導熱伝達熱放射に大きく分類される。

この他に、相変化を伴う熱移動や、物質の濃度勾配と熱移動の関係を示すソーレー効果デュフォー効果など、電場と熱移動の関係を表すペルチェ効果ゼーベック効果トムソン効果などもこの伝熱現象となる。

熱伝導[編集]

熱伝導は、物体の移動なくその温度勾配に比例した熱流束(単位時間に単位面積を横切るエネルギー量)を生じる現象であり、フーリエの法則として下記の式で表される。

q=-k\frac{dT}{dx}

q は熱流束 W/m2k熱伝導率 W/mK、T温度 K、x位置 m。

熱伝達[編集]

熱伝達は、温度差に比例した熱移動を表すものであり、物質の流れや凝縮蒸発、濃度の変化など、他の物理現象を伴った熱流束を表す。

dq=h(T_f-T_s)

dq は単位時間に単位面積を横切って移動した熱量 W/m2h は熱伝達率、T_f は流体の温度、T_s は固体表面の温度。

熱伝達の概念には熱伝導熱放射も含まれるが、熱伝達と言えば一般に対流熱伝達(熱対流)を指すことが多い。

対流熱伝達には強制対流熱伝達と自然対流熱伝達がある。 強制対流熱伝達は、ポンプファンなどの外部から与えられた流れにより起こる熱伝達である。 自然対流熱伝達は、温度差より生ずる浮力による対流を通じた熱伝達である。

熱放射[編集]

熱放射は、プランクの法則に従って、固体表面から電磁波として放出されるエネルギーであり、そのエネルギーの交換はキルヒホッフの法則などに従う。温度に関わる主なものとしてステファン・ボルツマンの法則がある。

プランクの法則は、波長範囲 \lambda\sim\lambda+\Delta\lambda においての光のエネルギー W/m3は、

E(\lambda)=\frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1}

と表せる。ここで、hプランク定数\lambda は光の波長、kボルツマン定数

この式を、光の全波長で積分したものが、

E_B(T)=\int_0^\infty\frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1} d\lambda = \sigma T^4

となる。この黒体の放射エネルギーが物体の温度の4乗に比例するという法則をステファン・ボルツマンの法則と言う。方向性のない熱放射は固体表面の放射率 \varepsilon によって、\varepsilon\sigma T^4 となる。2つの固体間の放射熱交換は、それぞれの固体が相手を見る立体角に関係する形態係数 F_{1\rightarrow 2} などを用いて計算される。

より詳細には、固体表面はその電気電子的性質によって、波長依存性を持つ光吸収光反射、放射、光透過などの現象の組み合わせという、複雑なエネルギー移動現象である。

脚注[編集]

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関連項目[編集]