対流（熱伝達）

対流（または対流熱伝達）は、流体の動きによってある場所から別の場所へ熱が伝達される現象です。対流熱伝達は、熱伝達の明確な方法としてよく議論されますが、伝導（熱拡散）と移流（バルク流体の流れによる熱伝達）の複合プロセスが関係しています。対流は通常、液体と気体における熱伝達の主要な形態です。

この対流の定義は、熱伝達と熱力学の文脈にのみ適用可能であることに注意してください。対流の動的流体現象と混同しないでください。対流は、熱力学の文脈では通常、自然対流と呼ばれ、両者を区別します。

対流は、浮力以外の手段による流体の動きによって「強制」されることがあります(たとえば、自動車エンジンのウォーター ポンプ)。流体の熱膨張によっても対流が強制されることがあります。その他の場合では、流体が加熱されたときの流体の動きは、自然の浮力のみによって完全に引き起こされ、このプロセスは「自然対流」と呼ばれます。例としては、煙突や火の周りの通風があります。自然対流では、温度の上昇によって密度が低下し、異なる密度の流体が重力(または任意のg 力) の影響を受けると、圧力と力によって流体の動きが生じます。たとえば、ストーブで水を加熱すると、鍋の底の熱い水は、より冷たい密度の高い液体によって押しのけられ (または押し上げられ)、下降します。加熱が停止すると、この自然対流による混合と伝導によって、最終的に密度がほぼ均一になり、温度も均一になります。重力（または何らかの重力を引き起こす条件）がない場合、自然対流は発生せず、強制対流モードのみが動作します。^{[引用が必要]}

対流熱伝達モードは、2 つのメカニズムから構成されます。特定の分子運動 (拡散)によるエネルギー伝達に加えて、流体のバルク運動、つまりマクロな運動によってもエネルギーが伝達されます。この運動は、任意の瞬間に多数の分子が集団で、または集合体として運動しているという事実に関連しています。温度勾配がある場合のこのような運動は、熱伝達に寄与します。集合体の分子はランダムな運動を維持するため、総熱伝達は、分子のランダムな運動によるエネルギー輸送と流体のバルク運動によるエネルギー輸送の重ね合わせによって生じます。この累積輸送を指す場合は対流という用語を使用し、バルク流体運動による輸送を指す場合は移流という用語を使用するのが通例です。^[1]

対流熱伝達には 2 つのタイプがあります。

• 自由対流または自然対流: 流体の運動が、流体内の熱±温度の変動による密度の変化から生じる浮力によって引き起こされる場合。内部源がない場合、流体が高温の表面と接触すると、その分子が分離して散乱し、流体の密度が低下します。その結果、流体は移動し、冷たい流体の密度が高まり、流体は沈みます。したがって、より熱い体積がその流体のより冷たい体積に向かって熱を伝達します。^[2]よく知られている例としては、火や熱い物体による空気の上向きの流れや、下から加熱された鍋の中の水の循環などがあります。
• 強制対流：流体がファン、撹拌器、ポンプなどの内部源によって表面上を強制的に流れ、人工的に誘導された対流を作り出す。^[3]

多くの実際の応用（例えば、太陽熱集熱器での熱損失や太陽光発電パネルの冷却）では、自然対流と強制対流が同時に発生します（混合対流）。^[4]

対流は、内部流と外部流によっても分類できます。内部流は、パイプを流れるときなど、流体が固体境界に囲まれているときに発生します。外部流は、流体が固体表面に遭遇することなく無限に広がるときに発生します。自然対流であれ強制対流であれ、これらのタイプの対流は両方とも、互いに独立しているため、内部対流にも外部対流にもなり得ます。^[要出典]バルク温度、つまり平均流体温度は、特にパイプやダクト内の流れに関連する用途において、対流熱伝達に関連する特性を評価するための便利な基準点です。

固体表面の滑らかさと起伏に応じて、さらに分類することができます。利用可能な情報の大部分は滑らかな表面を扱っていますが、すべての表面が滑らかであるわけではありません。波状の不規則な表面は、太陽熱集熱器、再生熱交換器、地下エネルギー貯蔵システムなどの熱伝達装置でよく見られます。これらの用途では、熱伝達プロセスにおいて重要な役割を果たします。表面の起伏により複雑さが増すため、洗練された単純化手法を使用して数学的な巧妙さで対処する必要があります。また、流れと熱伝達特性に影響を与えるため、まっすぐで滑らかな表面とは異なる動作をします。^[5]

自然対流を視覚的に体験するには、熱湯と赤い食用色素を入れたグラスを、冷たく澄んだ水の入った水槽の中に置くといいでしょう。赤い液体の対流がさまざまな領域で上昇したり下降したりして、最終的に安定するのが見え、熱勾配が消散するプロセスがわかります。

対流冷却はニュートンの冷却法則によって説明されると大まかに想定されることがある。^[6]

ニュートンの法則によれば、物体の熱損失率は、風の影響下にある物体とその周囲の温度差に比例します。比例定数は熱伝達係数です。^[7]この法則は、係数が物体と環境の温度差に依存しない、または比較的依存しない場合に適用されます。

古典的な自然対流熱伝達では、熱伝達係数は温度に依存します。ただし、温度変化が比較的小さい場合、および強制空気冷却やポンプ液体冷却の場合、温度差が増大しても流体速度が上昇しないときは、ニュートンの法則が現実に近似します。

対流による熱伝達の基本的な関係は次のとおりです。

${\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{f})}$

ここで、は単位時間あたりに伝達される熱量、Aは物体の面積、hは熱伝達係数、Tは物体の表面温度、Tf_は流体の温度です。^[8]${\displaystyle {\dot {Q}}}$

対流熱伝達係数は、流体の物理的特性と物理的状況に依存します。h の値は、一般的に遭遇する流体と流れの状況について測定され、表にまとめられています。

• 共役対流熱伝達
• 対流
• 強制対流
• 自然対流
• 混合対流
• 熱伝達係数
• 熱伝達の向上
• ハイスラーチャート
• 熱伝導率
• 対流拡散方程式

ウィキメディア・コモンズには、熱伝達に関連するメディアがあります。