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熱の流れの魔法：熱はどのようにして空気と物体の間で静かに伝達されるのか？
物理学および工学において、熱流束、または熱流束密度は、熱流束強度とも呼ばれ、単位時間あたりに単位面積あたりに流れるエネルギーの量です。この概念の単位はワット/平方メートル (W/m2) です。熱の流れには方向と大きさがあり、したがってベクトル量と見なされます。科学でも工学でも、熱の流れの概念を適切に測定し、適用することは、さまざまな熱管理システムを理解し、改善するために不可欠です。
熱の流れは、私たちの日常生活でもハイテクエンジニアリングのアプリケーションでも、あらゆるところに存在します。
熱流の定義と応用
空間内の一点における熱の流れを定義するには、通常、微小な表面状態を考慮します。熱の流れは、多くの場合
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で表され、サブタグq は、これが質量や運動量の流れではなく、熱の流れであることを示します。フーリエの法則は、特に熱が主に伝導によって伝達される固体材料における熱の流れを記述する重要な法則の 1 つです。
フーリエの法則によれば、熱の流れは常に高温領域から低温領域へと流れます。
フーリエの法則とその拡張
1 次元におけるフーリエの法則の表現は次のとおりです。
φq = -k * dT(x)/dx
ここで、k は熱伝導率です。負の符号は、熱の流れがより低温の領域に向かっていることを示します。多次元の状況を調査する場合、熱の流れは同様の原理に従います。
ここで、∇ は勾配演算子であり、熱流と温度勾配の関係を示します。
熱流を測定する方法
熱の流れを測定する方法はいくつかあります。まず、電流を測定するときに既知の抵抗器の両端の電圧降下を測定するのと同様に、既知の熱伝導率を持つ材料を通る熱の流れを測定できます。しかし、材料の熱抵抗は通常不明であるため、このアプローチを実際の状況で実装するのは比較的困難であり、正確な材料の厚さと熱伝導率が非常に重要です。
熱伝導率が不明な場合、熱流センサーは効果的な測定ツールとなります。
熱流を測定する別の方法は、熱流センサーまたは熱流トランスデューサーを使用することです。これは、取り付けられた表面によって伝達される熱量を直接測定します。したがって、熱抵抗や熱伝導率の値を知る必要がなくても、その場で測定を行うことができます。
熱流量センサーの用途
温度差熱電対列などの一般的な熱流センサーは、前述の最初の測定方法と基本的な原理が似ていますが、製品の熱抵抗や熱伝導率に関する知識は必要ありません。これにより、熱流量センサーは多くの実際のアプリケーションでより柔軟になります。ただし、これらのサーモパイルは、出力信号 (通常はマイクロボルトで測定) を熱流量値 (1 平方メートルあたりケルビンあたりのワットで測定) に変換するように調整する必要があります。一度校正すると、熱流センサーを使用して、既知の熱抵抗や熱伝導率を必要とせずに熱流を直接測定できるようになります。
科学と工学において、エネルギーバランスは熱の流れと熱管理システムを分析するための重要なツールです。
科学と工学における熱流解析
科学者や技術者は、化学反応器から生物に至るまで、あらゆる物理システムに適用できるエネルギーバランスというツールに頼ることが多いです。エネルギーバランスの式は次のとおりです:
∂Ein/∂t - ∂Eout/∂t - ∂Eaccumulated/∂t = 0ここでの 3 つの項目は、システムに入る総エネルギー変化、システムから出る総エネルギー変化、およびシステム内のエネルギーの累積変化を表します。エネルギーが伝達される唯一の方法が熱流である場合、熱流量を使用してエネルギーバランスを計算できます。実際のアプリケーションでは、表面上のすべての点で正確な熱流束を知ることは不可能ですが、モンテカルロ積分法などの近似スキームを使用して計算を実行することができます。
技術の進歩に伴い、熱流の測定と制御の重要性はますます顕著になってきています。建物の熱管理、電子機器の放熱設計、多くの産業プロセスなど、さまざまな用途で重要な役割を果たしています。急速に変化する世界において、熱の流れの謎をさらに解明し、科学技術を進歩させることはできるのでしょうか?
