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熱伝導と熱伝達との違いとは?

熱伝導と熱伝達の違いをわかりやすく説明すると、物理現象としては、熱伝導が固体・液体・気体のうちいずれか一方の同一物質内における熱移動を指しているのに対し、熱伝達の方は、固体と液体間での熱移動を意味しています。
 
例えば、同じ固体である鉄の棒、木の棒、プラスチックの棒では、片側を火の中に挿入すると、物体の中に熱が伝わり熱くなりますね。
これが熱伝導であり、挿入した側からもう片方まで火の熱さが伝わる速さの値が熱伝導率になります。熱は温度の高いほうから低い方へと伝わります。

熱伝導率とは、物質固有の値(物性)を意味しますが、熱伝達率の方は、物性ではなく異なる物体同士の間での熱の移動量から計算して求められる値になります。

例えば、熱が伝わっている棒に手を触れると、棒の熱さが手の表面に伝わります。
異なる物体間の表面でやりとりされるこの熱の伝わり方を熱伝達といいます。

この定義は、ニュートンが1701年に発表した「ニュートンの冷却法則」が根拠となっており、熱をやりとりする物体の表面積が大きければ大きいほど熱伝達率は高くなります。


ちなみに熱伝達率には、表面積以外に、物体同士が触れる速度も関係します。
強制的に風を起こして熱伝達率を高めるエアコン室外機や自動車のエンジン内部のファンなどが、この性質を利用した事例であることはよく知られています。

熱伝導率の単位には、W/(m・K)、W・m-1・K-1(ワット・パー・メートル、ケルビン)が使われ、記号としては、λ、kがよく使われます。

一方、熱伝達率の単位は単位はW/(m2 K)で、記号にはh やαが使われます。

対流熱伝達率とは?

対流熱伝達率とは、自然対流や強制対流によって伝達される熱の比率を意味しています。
自然対流の場合、表面付近の流体が温まるにつれて流速が速くなるという特徴があり、熱伝達率を算出する前にまず流れの状態を判断する必要があります。

例えば、垂直平板の自然対流熱伝達計算を行う場合、流れ場における浮力の相対的な影響を示す無次元数である「グラスホフ数」を算出して、流れの状態を「対流なし」「層流」「乱流」の3種類の中から選択します。


グラスホフ数(Gr)を求める式は、次の通りです。

Gr = (gTL^3βρ^2)/μ^2   (g=重力加速度[m/s^2]、T=温度差[K]、L=代表長さ[m]、β=体積膨張率[1/K]、ρ=密度[kg/m^3]、μ=粘性係数[Pa・s])


グラスホフ数の算出結果から、次のように流れの状態を判断します。

Gr < 1×10^5 →対流無し
1×10^5 < Gr < 1×10^9 →層流
Gr > 1×10^9 →乱流


流れの状態が「層流」または「乱流」と判断された場合、動粘度と温度拡散率の比で熱伝導に関する無次元数を表し、流体の熱拡散の状態を示す値であるプラントル値(Pr)を、次の式で算出します。

 Pr = cμ/k  (c=比熱[J/kg・K]、μ=粘性係数[Pa・s]、k=熱伝導率[W/m・K])


その後、対流による熱伝達と液体の熱伝導の比率を示した無次元数である「ヌセルト数(Nu)」を、次の式で算出します。

層流:Nu=0.56×(Gr×Pr)^(1/4)
乱流(気体):Nu=0.12×(Gr×Pr)^(1/3)
乱流(液体):Nu=0.17×(Gr×Pr)^(1/3)

対流なしの場合は、Nu=1となります。

以上の値を求めた後、熱伝達率(h)を「h = Nu×k/L」の式に基づき算出します。
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