「機械工学/伝熱工学」の版間の差分

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en:Heat Transfer/Introduction 16:59, 12 October 2013‎より翻訳。翻訳中。
 
翻訳のつづき。翻訳元はen:Heat Transfer/Introduction16:59, 12 October 2013‎ である。前回の投稿と同じ記事の翻訳である。
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この解説書は翻訳であり、元記事はイングリッシュ版ウィキブックスの記事『Heat Transfer/Introduction』である。
 
;協力者の募集
加筆・訂正や翻訳(和訳)を行ってくれる協力者をお待ちしています。日本版の内容は暫定的な物です。
 
現時点では、翻訳がメインですが、和訳に意訳が含まれるところもあり、元記事と内容が異なる場合もありますので、ご容赦ください。
また将来的には、日本版の独自の記述を追加したりなど、日本版の独自化があるかもしれません。
 
執筆の方針についての議論などは、詳しくは「議論」ページを利用したいと思います。
 
 
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(原著まえがき)
 
'''熱輸送の概要'''
 
この本は、特に化学工学的エンジニアおよび機械エンジニアへの、エンジニアリング·コンテキスト内の熱伝達を扱っています。これは、業界では加熱と冷却のために使用されている基本的な物理学と技術が含まれています。もちろん、原理は、必要に応じて他の分野に適用することができ、エンジニアはかなり従来のものとは異なり、新しい技術に対処することができる。れは、大学の第一学年または第二工学の学位の学生のための、始めてテキストとして意図されています。
あなたがこれテキストを持っていれば、この記事に追加または(そして、あなたは歓迎ほとんどです)、これ記事を修正してください。その場合は、権威ある教科書慎重な参照によって、またはあなたの信頼できる専門的な経験に基づいていずれかを行うことです
ここでは、以降の章で詳しく説明されますいくつかの基本を通じて、迅速な実行がある。
 
 
===基本概念===
エンジニアリングでの熱転送で構成されエンタルピー原因の温度差。''エンタルピー'' (Enthalpy)は、例えば、運動エネルギー、圧力エネルギーなど有用な仕事のような、他の種類と区別するために、熱エネルギーの名前である。熱輸送は温度差がなければならない、温度差が無ければ全く熱伝達輸送は行われません。
 
我々は1熱いに冷たい体から熱い物体にエンタルピーを移動を主張すさせる場合我々は冷蔵庫の場合のように、余分な作業を行う必要がありますが、これは常にいくらかような他のプロセス、例えば機械的な仕事、そしてガスの膨張によって冷却するように、他のプロセスがなどをまれます。しかし、全体的な活動の範囲内で、熱は常にクーラーによりいものから伝い物にきます。)
 
温度差が呼び出される駆動力です等しい他のものは、より大きな温度差は、熱伝達輸送のより大きな速度を与える。
 
 
===温度===
温度は集中的に、それは物質の量に依存しないです。財産。こうしてたとえば80℃の銅の1キログラム(1 kg)と、80℃の銅の12 kgとは、両方とも同じ温度を持っている。
 
我々は放射熱を扱っている場合を除き、それは絶対温度スケールにこれらの値を変更すること必要通常は必要ないことに注意してください。
我々はこれらの銅のブロックから20 °Cの水への熱輸送について計算したい。この場合は摂氏温度(Celsius temperature)は単にケルビン温度(kelvin.Temperature)の273.15 K.上記ケルビンよりも大きい数として定義されている摂氏、それは温度差と言うことは非常に適切であり、この問題の場合は 80 °C - 20 °C = 60 K.
 
我々は、それが
353 – 293 = 60 K
であると言ってそれ以上の労力で同じ答えを得る.(私は最も近い程度に働いていたように、私は0.15 Kを省略しました)。温度スケールは、絶対温度(ケルビン温度)または摂氏温度で与えられる。しかし、温度差がkelvin.Temperatureに与えられるべきでも暑さの度合いとして定義される。hotness.It度が熱力学および熱伝達(すなわち熱エネルギー)の主題で重要な役割を果たしているとも定義される温度、摂氏温度又は絶対値スで与えることができるが、ビン温度差がkelvinで与えられるべきである。温度も暑さの度合いとして定義される。これは、熱力学および熱輸送(すなわち熱エネルギー)の主題において、温度が重要な役割を果たしている。
 
常温に温度計及び熱電対によって測定することができ、より高い温度が高温計によって測定することができる。
 
===エンタルピー===
エンタルピー(Enthalpy)熱力学システムに格納されている全エネルギーの尺度である。それは温度の関数である内部エネルギー(internal energy)と、その環境を変位し、その体積および圧力を確立することによって、それのためのスペースを確保するために必要なエネルギー量を含む。
 
それはエネルギー伝達の特定の記述を簡素化するため、エンタルピーは、多くの化学的、生物学的、および物理的な測定システムにおけるエネルギーの変化の好ましい式である。エンタルピーの変化が検討中のシステムの拡大による環境へ伝達されるエネルギーを考慮するためである。
 
エンタルピーは状態量です:系のエンタルピーは、系の測定可能な性質にではなく依存せず、システムの履歴に依存する。
 
エンタルピーは広範囲のプロパティ:それは物質の量に依存します。こうして80 °Cの銅の12 kgは、同じ温度で同じ物質の1キログラムの12倍のエンタルピーを持つことになります。しかしながら、我々は一般的に単位質量当たりのエンタルピー(もっと適切に'''比エンタルピー''' specific enthalpy )を表現する。国際単位系(SI)におけるエンタルピーの測定単位はジュール(joule,記号は J )であるが、他の歴史的な、従来の単位は、そのような英国熱量単位やカロリーなどが、まだ使用されている。比エンタルピーは、それ故にJ / kgを、またはBTU /ポンドの単位を持っています。
 
システム全体のエンタルピー H は、直接には測定することはできない。したがって、エンタルピーの変化 ΔH が、エンタルピーの絶対値よりも有用な量である。系のΔHは、そこに供給される熱に行われた非機械的な仕事の和に等しい。もし本体と同じ圧力で、熱力学的状態Bへの熱力学的状態からパスした場合、環境に伝達された熱は次式で与えられる:<math>Q=\Delta H=H_{end}-H_{start}</math>
結合システム、-それは伝熱、圧力または容積の変化を生成する結合システム(およびその逆)-は、テキストの後半で処理した。
 
表やグラフは、様々な熱力学的な状態で多くの材料の比エンタルピ利用できるリストです。
 
各テーブルには、基準状態が選択される。所与のエンタルピーは次のエネルギー量として理解することができる、それを高めるためにシステムに投入されなければならない基準温度(より正確には、基準状態)。水については、共通の基準状態は、液相中のすべての水が、0°C、大気圧である状態である。
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したがって(この規則によれば)0 °Cの液体の水°は、ゼロのエンタルピーを持っています。同じ温度の氷が、負のエンタルピーを持っています。他のエンタルピー表では、基準温度が異なる場合もあり、絶対零度の0.0 Kを基準としたエンタルピー表や、または実験室の温度298 Kに対するエンタルピーを与える表の場合もあります。
 
化学工学者エンジニアは、ときどき、 参照条件として周囲の温度を使用します。
 
===熱容量と比熱===
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4.184 x 12 x 60 = 3012 kJ.
 
これらの用語は、ゆるく使用される傾向があることに注意してください。比熱容量がしばしば比熱または熱容量と呼ばれる。疑わしい場合は、単位を見てみましょう。技術的には''熱容量''が物質全体での場合を意味する。比熱容量は質量あたりの場合 - SIシステムの質量1キログラムあたりの場合である。熱力学表では、データは時々 、特にガス用では、モルあるいはキロモルごとに与えられる場合がある。キログラムあたりではなく。また、廃止された単位のカロリー(= 4.184 J)が使用され、質量の単位が1グラムである古いデータに出くわすことがあります。申し訳ありませんが、しかし、あなたは変換する必要があります。常に単位を見てください。
 
比熱容量の定義は、圧力一定の変換のための、次のように書くことができます:
98 ⟶ 111行目:
= (15 x 0.383) + (25 x 4.184) = 5.75 + 104.6 = 110.4 kJ K<sup>-1</sup>
 
言い換えれば、1 K(= 1°C)で、システム全体の温度を上昇させるためにエンタルピー110.4 kJを取るだろう。
したがってエンタルピー344.7 kJのを追加する÷3.1 = 110.4 Kは、その最終温度は23.1℃であろう344.7ことにより、システムの温度を上昇させるであろう
 
 
 
===伝熱のメカニズム===
 
伝導(Conduction)、対流(Convection)、そして放射 (Radiation):熱伝達の輸送には3つのモードがある。伝導は、材料の運動なしで、材料を通過する熱エネルギーの移動に関係している。この現象は、基本的に、微細なレベルで起こる拡散プロセスです。対流は、運動できる流体(液体または気体)の、熱エネルギーの移動に関係している。対流の熱輸送は、2つの物理的原理、伝導(拡散)とバルク流体運動(移流)によって特徴づけられる。流体運動は、例えば、ファン(回転翼)などで、外力によって引き起こされることがあり、あるいは浮力の影響に起因する可能性がある。最後に、放射とは、電磁波(または光子)を介した熱エネルギーの伝達である。
 
==== 伝導 ====
伝導は熱エネルギーの拡散である、すなわち、熱エネルギーの動きは、高い温度の領域から、より低い温度領域へと、熱エネルギーは動く。顕微鏡レベルでは、これは分子の振動に起因してエネルギーの通過が発生する。
 
熱移動の速度は次のように表される
 
<math>\dot{Q}</math>.
 
伝導輸送率の単位はワット(watt、記号は W )である。そして、熱伝導輸送率がベクトル量であることに留意すべきである。それはしばしば検討されて幾何学の観点から熱伝導率を説明するのに便利である。したがって、我々は定義して<math>\dot{Q}'</math>, <math>\dot{Q}''</math>, および<math>\dot{Q}'''</math> 単位長さあたりの熱伝導率と、単位面積あたりの熱伝導輸送率(単位面積あたりの場合は、別名で熱流束 heat flux ともいう)、および音量、それぞれ。それは別の規則は、しばしば表記法で使用されていることに注意することは有用であり、熱流束(単位面積当たりの熱伝導輸送率)が、しばしば<math> \dot{q}</math>で示されている 。
伝導支配速度式はフーリエの法則(Fourier's Law)で与えられます。。一次元の場合は、フーリエの法則は次のように表されます:
 
<math>\dot{q}=-k\frac{dT}{dx}</math>
125 ⟶ 136行目:
<math>\dot{Q}=-kA\frac{dT}{dx}</math>
 
ここで ''x'' は、その問題で考えている方向である。 ''A''は断面積であり、断面はxに垂直とする。 ''k'' is a 比例係数であり 熱伝導率(thermal conductivity)と呼ばれる。そして <math>\frac{dT}{dx}</math> は温度勾配(temperature gradient)とよばれる。 マイナス符号は、高温物体ほど、熱が低温部へと拡散して温度が下がる理由による。
 
熱伝導率は、材料がどのくらい熱を伝えやすいかの尺度である。金属などの熱伝導率の高い材料は、容易に低い温度勾配でも熱を伝導する。いっぽう、アスベストなどの低-熱伝率を有する材料は、熱伝導に抵抗するので、しばしば断熱材(insulator)と呼ばれる。
 
==== 対流 ====
対流(Convection)は、固体と移動する流体の間の熱エネルギーの移動である。流体運動でない場合(そのヌッセルト数が1である)は、問題を熱伝導として分類することができる。対流は、2つの現象によって支配される。分子振動、流体粒子の大規模な動きに起因するエネルギーの移動である。一般的には、対流は2種類であり、強制対流(Forced Convection)と自由対流(Free Convection)である。
 
流体が流れるように強制されたときに強制対流が発生します。たとえば、送風ファンを用いて空気を送風すれば、強制対流の例です。自由対流では、流体運動は浮力の影響によるものである。例えば、静止した空気によって囲まれる垂直加熱されたプレートは、周囲の空気を加熱させる。そして空気の密度は冷たい空気よりも暑い空気が密度が低いという理由により、熱い空気が上昇しています。かわりに熱い空気の抜け出た領域が冷たい空気によって満たされ、循環が継続されます。
 
対流のための支配方程式は冷却のニュートン法則(Newton's Law of Cooling)で与えられます。
 
<math>\dot{Q}=hA(T_s-T_\infty),</math>
 
ここで、 <math>h</math> は熱伝達係数(heat transfer coefficient)であり、 <math>T_s</math> は固体の表面温度であり、 <math>A</math> は面積であり、 <math>T_\infty</math> は遠い面での流体の温度である。この式は、その名前にもかかわらず、法則ではありません。むしろ実験則であり、それは熱流束が固体と液体との間の温度差に比例するという経験的表現である。熱伝達係数は、典型的には、実験によって決定される。実験によって、流れの様々な種類での熱伝達係数に対する相関関係が決定されており、文献に記載されている。
 
==== 放射 ====
放射(Radiation)は、それらの物体間の接触することのない熱輸送の現象である。放射は、電磁波を介して二つの物体間で行われる熱エネルギーの輸送である。伝導と対流とは異なり、放射線は媒質を必要としません。一般的に、気体は、放射熱伝達に関与しない。
 
放射は、すべての有限温度の物体、すなわち絶対零度ではない物体では、電磁波の形態で放射を放出するという事実に基づいている。彼らは別のオブジェクトに衝突するまで、これらの波は移動する。それから、放射電磁波が衝突した第二の物体は、電磁波を吸収か反射をするか、またはエネルギーを伝送する。なお、第2の物体が有限温度である場合、それもまた、放射をすることに留意すべきである。
 
放射の基本的な事実は、放射の熱は、放射源の温度の'''4乗'''に比例するということである。放射による熱の損失は、材料の'''放射率'''(emissivity) ε が関係し、方程式は以下のようになる。:
 
<math>\dot{Q}= A \epsilon \sigma T^4</math>
 
理想的な材料は'''黒体'''(black body)と呼ばれ、 放射率の値が1です。記号Aは放射物体の表面積であり、記号σ(シグマ)はステファン·ボルツマン定数(Stefan-Boltzmann constant) <math>\sigma=5.670\times10^{-8} W/(m^2 K^4)</math> として知られています。