熱伝達 - 伝導、対流、放射

熱伝達は、熱エネルギーがある場所から別の場所に移動するときに発生します。原子と分子は本質的に運動エネルギーと熱エネルギーを持っているため、すべての物質が熱伝達に関与します。熱伝達には主に 3 つのタイプがあり、さらにエネルギーを高温から低温に移動させるその他のプロセスもあります。

伝熱とは?

熱伝達とは、システムとその周囲との温度差による熱の移動です。エネルギー移動は、熱力学の第 2 法則により、常に高温から低温へ行われます。熱伝達の単位は、ジュール (J)、カロリー (cal)、およびキロカロリー (kcal) です。熱伝達率の単位はキロワット (KW) です。

3 種類の熱伝達と例

3 種類の熱伝達は、熱を伝達する媒体の性質によって異なります。

• 実施には連絡が必要です。
• 対流には流体の流れが必要です。
• 放射線は媒体を必要としません。

• 伝導 隣接する原子または分子間の直接的な熱伝達です。通常、それは固体を介した熱伝達です。たとえば、コンロの鍋の金属の取っ手は対流によって熱くなります。熱い鍋に触れると手に熱が伝わります。
• 対流 空気や水などの流体の動きによる熱伝達です。ストーブで水を加熱するのが良い例です。熱源近くの水が上昇するため、鍋の上部の水が熱くなります。もう 1 つの例は、キャンプファイヤーの周りの空気の動きです。熱い空気は上昇し、熱を上に移動します。一方、この動きによって残された部分的な真空は、火に新鮮な酸素を供給する冷たい外気を引き込みます。
• 放射線 電磁放射の放出です。それは媒体を介して発生しますが、媒体を必要としません。たとえば、晴れた日の屋外は暖かいです。これは、太陽放射が空間を横切り、大気を加熱するためです。ストーブのバーナーエレメントも放射線を放出します。ただし、バーナーからの熱の一部は、高温の要素と金属製の鍋の間の伝導によって発生します。実際のプロセスのほとんどには、複数の形式の熱伝達が含まれます。

伝導

伝導では分子が互いに接触する必要があるため、対流や放射よりも遅いプロセスになります。多くのエネルギーを持つ原子や分子は、より多くの運動エネルギーを持ち、他の物質とより多く衝突します。彼らは「暑い」です。熱い物質が冷たい物質と相互作用するとき、衝突中にいくらかのエネルギーが伝達されます。これが伝導を促進します。熱を伝導しやすい物質の形態は、熱伝導体と呼ばれます。

実施例

伝導は、日常生活における一般的なプロセスです。例:

• 角氷を持つとすぐに手が冷たくなります。その間、皮膚から氷に伝わる熱により氷が溶けて液体の水になります。
• 暑い道路や日当たりの良いビーチを裸足で歩くと、固い素材が足に熱を伝えるため、足が火傷します。
• アイロンの服は、アイロンから生地に熱を伝えます。
• 熱いコーヒーで満たされたコーヒー カップのハンドルは、マグカップの素材を介した熱伝導によって温かく、さらには熱くなります。

伝導方程式

伝導の 1 つの方程式は、熱伝導率、面積、材料の厚さ、および 2 つの領域間の温度差から単位時間あたりの熱伝達を計算します。

Q =[K ∙ A ∙ (T_hot – T_寒い )]/d

• Q は単位時間あたりの熱伝達です
• K は物質の熱伝導率です
• A は伝熱面積です
• T_hot は暑い地域の気温です
• T_寒い は寒冷地の気温です
• d は本体の厚さです

対流

対流とは、高温領域から低温領域への流体分子の移動です。流体の温度を変化させると密度が変化し、対流が発生します。流体の体積が増加すると、その密度が減少し、浮力になります。

対流の例

対流は地球上でよく知られているプロセスであり、主に空気または水が関係しています。ただし、冷凍ガスやマグマなど、他の流体にも適用されます。対流の例:

• 密度の低い高温の分子が密度の高い低温の分子を通って上昇するため、熱湯は対流を受けます。
• 熱い空気が上昇し、冷たい空気が沈み込んで置き換わります。
• 対流は、赤道と極の間の海洋で地球規模の循環を促進します。
• 対流オーブンは熱風を循環させ、発熱体やガス炎のみを使用するオーブンよりも均一に調理します。

対流方程式

対流率の方程式は、面積と、流体温度と表面温度の差を関連付けます。

Q =h_c ∙ A ∙ (T_s – T_f )

• Q は単位時間あたりの熱伝達です
• h_c は対流熱伝達係数です
• A は伝熱面積です
• T_さん は表面温度です
• T_f 流体温度です

放射線

放射線は電磁エネルギーの放出です。熱放射の別名は輻射熱です。伝導や対流とは異なり、放射は熱伝達に媒体を必要としません。したがって、放射は媒質 (固体、液体、気体) 内または真空中の両方で発生します。

放射線の例

放射線の例はたくさんあります:

• 電子レンジはマイクロ波放射を放出し、食品の熱エネルギーを増加させます
• 太陽は光 (紫外線を含む) と熱を放出します
• ウラン 238 はトリウム 234 に崩壊するときにアルファ線を放出します

放射方程式

ステファン・ボルツマンの法則は、熱放射のパワーと温度の関係を説明しています:

P =e ∙ σ ∙ A· (Tr – Tc)

• P は放射線の正味の力です
• A は放射線の領域です
• Tr はラジエーターの温度です
• Tc は周囲の温度です
• e は放射率です
• σ はステファン定数 (σ =5.67 × 10WmK) です

より多くの熱伝達 – 化学結合と相転移

伝導、対流、および放射が熱伝達の 3 つのモードですが、他のプロセスは熱を吸収および放出します。たとえば、原子は化学結合が切れるときにエネルギーを放出し、結合を形成するためにエネルギーを吸収します。エネルギーの放出は発エルゴン プロセスであり、エネルギーの吸収は吸エルゴン プロセスです。エネルギーは光や音の場合もありますが、ほとんどの場合は熱であるため、これらのプロセスは発熱と吸熱になります。

物質の状態間の相転移には、エネルギーの吸収または放出も含まれます。この好例は、液体から蒸気への相転移が環境から熱エネルギーを吸収する蒸発冷却です。

参考文献

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