温度差による熱伝達：工学熱力学と伝熱における応用と区別

私たちが暮らす無数の世界では、常に様々なプロセスが発生しているが、人間の生存に最も密接に関わる物理的プロセスのひとつが、熱エネルギーの移動である。現代の建物のセントラル空調から、霜、雨、雪などの自然気象現象の形成まで、大気圏に再突入する宇宙船の熱保護の課題から電子機器の効果的な冷却まで、人々の衣服の季節変化から人間の食料の冷凍保存まで、すべては熱の移動のプロセスと密接な関係がある。

熱伝導学は、温度差による熱やエネルギーの移動の法則を研究する学問である。熱力学の第二法則によれば、温度差があればどこでも、熱は温度の高い物体から低い物体へと自然に移動する。この移動した熱は、しばしば熱エネルギーと呼ばれる。

温度差は自然界や生産技術の様々な分野のいたるところに存在し、熱の移動は非常に一般的な物理現象となっている。例えば、自然界の風は2つの場所の温度差によって引き起こされ、空気が温度の高い場所から低い場所に流れ、さらに地球の自転の影響を受けて風となる。海流や台風も、温度差による水や空気の移動が原因である。工業生産において、製品を加熱するために炭素繊維のヒーティング・チューブを使用することは、ヒーティング・チューブから被加熱物に熱を伝えることであり、これもまた熱伝達のプロセスである。

いわゆる熱伝達の法則は、主に単位時間当たりに伝達される熱量と、それに対応する物体内の温度差とを関連付けるものである。この法則を反映した第一レベルの関係が熱伝導の速度式となる。次回の記事では、ある単純化された条件の下で、3つの基本的な熱伝導モードの速度方程式についてお話しします。より深いレベルの研究は、異なる条件下で物体内の様々な点の温度分布を求めることである。

伝熱学と工学熱力学は、どちらも熱現象に関連する学問である。中国の工学教育分野では、この2つのコースを総称して熱工学コースと呼んでいる。この2つの学問分野の基本的な違いは次のように説明できる：工学熱力学は、温度差や圧力差のない平衡状態にあるシステムを研究するのに対し、熱伝導はまさにその逆で、温度差を伴う熱伝導の法則を研究する。例えば、鋼塊をオイルバス中で1000℃から100℃まで冷却するプロセスを考えてみよう。熱力学は、この冷却過程で鋼塊1kg当たりに失われる熱と、油浴に吸収される熱を研究するが、熱力学では、この温度系が平衡に達するまでの時間を知ることはできない。この時間は、油浴の温度、油の動き、油の物理的性質などに左右される。

熱力学では物理量に時間が含まれないのに対し、熱伝導では主な物理量は時間で表される。一方、伝熱研究は工学的な熱力学と密接な関係がある。あらゆる伝熱プロセスの解析には、熱力学の第一法則、すなわちエネルギー保存の法則を用いなければならない。熱力学第一法則は、閉鎖系でも開放系でも適用でき、それぞれの系には定常状態と非定常状態がある。熱伝導の観点から見ると、いわゆる定常状態とは、系内の各点の温度が時間と共に変化しないプロセスであり、非定常状態とは、各点の温度が時間と共に変化するプロセスである。

固体中の熱伝導に関する今後の議論では、閉鎖系では熱力学第一法則を用いるが、対流熱伝達の研究では開放系を用いる必要がある。さらに、熱エネルギーがある媒体から別の媒体に移動する場合、2つの媒体の界面でもエネルギー保存の原理を適用しなければならない。例えば、前述の油浴中の鋼塊の冷却過程のように、固体と液体の界面では、熱伝達過程が定常であろうと非定常であろうと、固体から液体へ移動する熱と液体が固体から吸収する熱は、任意の時点で等しいと考える。中学校の物理で出てくるエネルギー収支や熱収支の概念は、実は熱力学第一法則の簡単な用語である。

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