熱伝達

熱伝達は、物理システム間での熱エネルギー(熱)の生成、使用、変換、交換に関わる熱工学の分野です。熱伝達は、熱伝導、熱対流、熱放射、相変化によるエネルギー移動など、さまざまなメカニズムに分類されます。エンジニアは、熱伝達を実現するために、冷たいものでも熱いものでも、異なる化学種の質量の移動 (移流の形での質量移動) も考慮します。これらのメカニズムにはそれぞれ異なる特性がありますが、同じシステム内で同時に発生することがよくあります。

熱伝導は拡散とも呼ばれ、2 つのシステムの境界を介した粒子 (分子など) または準粒子 (格子波など) の運動エネルギーの直接的な微視的交換です。物体が他の物体またはその周囲と異なる温度にある場合、物体とその周囲が同じ温度に達するように熱が流れ、その時点で両者は熱平衡状態になります。このような自発的な熱伝達は、熱力学の第二法則で説明されているように、常に高温領域から低温領域へと発生します。

熱対流は、流体 (気体または液体) のバルク フローが流体を通じて熱を運ぶときに発生します。すべての対流プロセスは、拡散によっても部分的に熱を移動します。流体の流れは、外部プロセスによって強制される場合もあれば、場合によっては (重力場の場合) 熱エネルギーが流体を膨張したときに発生する浮力によって強制される場合もあります (たとえば、火の煙)。これにより、流体自体の移動が影響を受けます。後者のプロセスは、多くの場合「自然対流」と呼ばれます。前者のプロセスは、多くの場合「強制対流」と呼ばれます。この場合、流体は、ポンプ、ファン、またはその他の機械的手段を使用して強制的に流れます。

熱放射は真空または透明な 媒体（固体、液体、気体）を通して発生します。これは、同じ法則に従う光子または電磁波によるエネルギーの伝達です。 ^[1]

熱伝達は、温度差の結果として物質（固体/液体/気体）間で交換されるエネルギーです。熱力学的自由エネルギーは、熱力学的システムが実行できる仕事の量です。エンタルピーは、文字「H」で示される熱力学的ポテンシャルであり、システムの内部エネルギー（U）と圧力（P）と体積（V）の積の合計です。ジュールは、エネルギー、仕事、または熱量を定量化する単位です。 ^[2]

熱伝達は、状態の関数ではなく、プロセス関数（またはパス関数）です。したがって、システムの状態を変更する熱力学的プロセスで伝達される熱量は、プロセスの初期状態と最終状態の正味の差だけでなく、そのプロセスが発生する方法によって異なります。

熱力学的および機械的熱伝達は、熱伝達係数、つまり熱流束と熱の流れの熱力学的駆動力との間の比例関係で計算されます。熱流束は、表面を通る熱の流れを定量的にベクトル的に表現したものです。^[3]

工学の文脈では、熱という用語は熱エネルギーと同義語として扱われます。この用法は、熱をさまざまな原因で伝達される流体（熱量）と解釈する歴史的な解釈^{[ broken anchar ]}に由来しており、 ^[4]これは一般人の言語や日常生活でも一般的です。

熱エネルギー（フーリエの法則）、機械的運動量（ニュートンの流体の法則）、および質量移動（フィックの拡散の法則）の輸送方程式は類似しており、^{[5] [6]}、これら3つの輸送プロセス間の類似性は、いずれかのプロセスから他のプロセスへの変換を予測しやすくするために開発されました。^[6]

熱工学は、熱伝達の生成、利用、変換、貯蔵、交換に関係しています。そのため、熱伝達は経済のほぼすべての分野に関係しています。^{[7]熱伝達は、}熱伝導、熱対流、熱放射、相変化によるエネルギー伝達など、さまざまなメカニズムに分類されます。

熱伝達の基本的なモードは次のとおりです。

移流

移流は、ある場所から別の場所への流体の輸送メカニズムであり、その流体の動きと運動量に依存します。

伝導か拡散か

物理的に接触している物体間のエネルギーの伝達。熱伝導率は、熱を伝導する物質の特性であり、主に熱伝導に関するフーリエの法則に基づいて評価されます。

対流

流体の動きによる、物体とその環境の間のエネルギーの移動。平均温度は、対流熱伝達に関連する特性を評価するための基準です。

放射線

電磁波の放出によるエネルギーの伝達。

物質を移動させることで、熱エネルギーを含むエネルギーが、熱いまたは冷たい物体をある場所から別の場所へ物理的に移動させることで移動します。これは、ボトルにお湯を入れてベッドを温める、または変化する海流の中で氷山が動くといった単純なものです。実際の例としては、熱水力学があります。これは次 の 式で説明できます。 $${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$

• ${\displaystyle \phi_{q}}$は熱流束（W/m ²）、
• ${\displaystyle \rho}$は密度（kg/m ³）であり、
• ${\displaystyle c_{p}}$定圧熱容量（J/kg·K）
• ${\displaystyle \デルタT}$温度差（K）
• ${\displaystyle v}$速度（m/s）です。

微視的スケールでは、熱伝導は高温で急速に移動または振動する原子や分子が隣接する原子や分子と相互作用し、それらのエネルギー（熱）の一部がこれらの隣接する粒子に移動するときに発生します。言い換えると、隣接する原子が互いに振動する場合、または電子が1つの原子から別の原子に移動する場合、熱は伝導によって伝達されます。伝導は、固体内または熱接触している固体物体間の熱伝達の最も重要な手段です。流体、特に気体は伝導性が低くなります。接触熱伝導は、接触している固体間の熱伝導を研究するものです。^[8]粒子の動きなしにある場所から別の場所に熱が移動するプロセスは伝導と呼ばれます。たとえば、冷たいコップに入った水に手を置いたとき、熱は温かい皮膚から冷たいガラスに伝導しますが、手をガラスから数インチ離すと、空気は熱伝導率が低いため、伝導はほとんど起こりません。定常伝導は、伝導を引き起こす温度差が一定で、時間が経つと伝導物体内の温度の空間分布がそれ以上変化しないときに起こる伝導の理想化されたモデルです（フーリエの法則を参照）。^[9]定常伝導では、温度変化（熱エネルギーの尺度）がゼロなので、あるセクションに入る熱の量は出る熱の量に等しくなります。^[8]定常伝導の例としては、寒い日に暖かい家の壁を通る熱の流れがあります。家の内部は高温に保たれ、外部の温度は低いままなので、単位時間あたりの熱伝達は壁の断熱材によって決まる一定の割合に近く、壁内の温度の空間分布は時間の経過とともにほぼ一定になります。

過渡伝導（熱方程式を参照）は、物体内の温度が時間の関数として変化する場合に発生します。過渡システムの解析はより複雑であり、熱方程式の解析解は理想化されたモデルシステムに対してのみ有効です。実際の応用は、通常、数値的手法、近似手法、または経験的研究を使用して調査されます。^[8]

流体の流れは、外部プロセスによって強制される場合もありますが、時には (重力場の場合) 熱エネルギーが流体を膨張させたときに発生する浮力 (たとえば、火柱) によって強制され、流体自体の移動に影響します。後者のプロセスは、しばしば「自然対流」と呼ばれます。すべての対流プロセスは、拡散によっても部分的に熱を移動させます。対流の別の形態は、強制対流です。この場合、流体はポンプ、ファン、またはその他の機械的手段を使用して強制的に流れます。

対流熱伝達、または単に対流は、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ことであり、本質的には質量移動による熱伝達であるプロセスです。流体のバルク運動は、固体表面と流体の間など、多くの物理的状況で熱伝達を促進します。^[10]対流は通常、液体および気体における熱伝達の主要な形式です。熱伝達の第3の方法として議論されることもありますが、対流は通常、流体内の熱伝導（拡散）とバルク流体の流れによる熱伝達の複合効果を説明するために使用されます。^[11]流体の流れによる輸送プロセスは移流として知られていますが、純粋な移流は、川における小石の移流など、流体内の質量輸送にのみ一般に関連付けられる用語です。流体内の熱伝達の場合、流体内の移流による輸送には必ず熱拡散（熱伝導とも呼ばれる）による輸送も伴うため、熱対流のプロセスは移流と拡散/伝導による熱輸送の合計を指すものと理解されます。

自由対流、または自然対流は、流体の温度変化による密度変化から生じる浮力によって流体のバルク運動（流れや流れ）が引き起こされるときに発生します。強制対流は、流体内の流れや流れがファン、スターラー、ポンプなどの外部手段によって誘発され、人工的に誘発された対流を生み出すときに使用される用語です。^[12]

対流冷却はニュートンの冷却の法則として説明されることもあります。

物体の熱損失率は、物体とその周囲の温度差に比例します。

しかし、定義により、ニュートンの冷却法則の妥当性には、対流による熱損失率が熱伝達を促す温度差の線形関数（「比例」）であることが求められますが、対流冷却ではこれが当てはまらない場合があります。一般に、対流は温度勾配に線形依存せず、場合によっては強く非線形になります。これらの場合、ニュートンの法則は適用されません。

容器の下から加熱される流体の塊では、伝導と対流が優位性を競うと考えられます。熱伝導が大きすぎると、対流によって下方に移動する流体は伝導によって非常に速く加熱されるため、浮力によって下方移動が停止します。一方、対流によって上昇する流体は伝導によって非常に速く冷却されるため、駆動力である浮力が減少します。一方、熱伝導が非常に低い場合は、大きな温度勾配が形成され、対流が非常に強くなる可能性があります。

レイリー数（ ）はグラスホフ数（ ）とプラントル数（ ）の積である。これは伝導と対流の相対的な強さを決定する尺度である。^[13]${\displaystyle \mathrm {Ra} }$${\displaystyle \mathrm {Gr} }$${\displaystyle \mathrm {Pr} }$

$${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g \beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$$ どこ

• gは重力加速度であり、
• ρは密度であり、下限と上限の密度差である。${\displaystyle \Delta \rho }$
• μは動粘度であり、
• αは熱拡散率であり、
• βは体積熱膨張率（他の場所ではαと表記されることもある）
• Tは温度、
• νは動粘性であり、
• Lは特性長さです。

レイリー数は、対流による熱伝達率と伝導による熱伝達率の比率、または同等に、対応する時間スケール間の比率 (つまり、伝導時間スケールを対流時間スケールで割ったもの) として理解できます (数値係数まで)。これは次のように考えることができます。すべての計算は、システムの形状に応じて数値係数までです。

対流を駆動する浮力はおよそ なので、対応する圧力はおよそ です。定常状態では、これは粘性によるせん断応力によって相殺されるため、およそ に等しくなります。ここで、Vは対流による典型的な流体の速度とその時間スケールのオーダーです。^[14]一方、伝導の時間スケールは のオーダーです。 ${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$${\displaystyle g\Delta \rho L}$${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}}$${\displaystyle T_{\text{conv}}}$${\displaystyle T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha }$

対流はレイリー数が 1,000～2,000 を超えると発生します。

放射伝熱は、熱放射、すなわち電磁波を介したエネルギーの伝達である。^[1]これは、真空または任意の透明 媒体（固体、液体、気体）を介して発生する。^[15]熱放射は、物質中の原子と分子のランダムな動きにより、絶対零度以上の温度にあるすべての物体から放射される。これらの原子と分子は荷電粒子（陽子と電子）で構成されているため、その動きはエネルギーを運び去る電磁放射の放射につながる。放射は通常、非常に高温の物体、または温度差が大きい物体に対する工学的用途でのみ重要である。

物体の大きさと物体間の距離が大きく、熱放射の波長と比較した場合、放射エネルギーの伝達率は、シュテファン・ボルツマンの式で最もよく説明されます。真空中の物体の場合、式は次のようになります。 $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$$

2つの物体間の 放射伝達の式は 次 のようになります。$${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$

• ${\displaystyle \phi_{q}}$は熱流束であり、
• ${\displaystyle \epsilon}$は放射率（黒体の場合は1）であり、
• ${\displaystyle \sigma}$はシュテファン・ボルツマン定数であり、
• ${\displaystyle F}$は2つの面aとbの間の形態係数であり、 ^[16 ]
• ${\displaystyle T_{a}}$および は、2 つの物体の絶対温度（ケルビンまたはランキン度）です。${\displaystyle T_{b}}$

熱放射を交換する物体またはそれらを隔てる距離が同等の大きさか、支配的な熱波長よりも小さい場合、ステファン・ボルツマン方程式によって確立された黒体限界を超えることができます。このようなケースの研究は、近接場放射熱伝達と呼ばれています。

太陽からの放射、すなわち太陽放射は、熱と電力のために利用することができます。^[17]伝導性や対流性の熱伝達とは異なり、熱放射は、狭い角度で到達する、つまり距離よりもはるかに小さな発生源から来るもので、反射鏡を使用することで小さな点に集中することができ、これは集光型太陽光発電や燃焼ガラスに利用されています。^[18]たとえば、鏡から反射された太陽光はPS10太陽光発電タワーを加熱し、日中は水を285°C（545°F）まで加熱することができます。^[19]

ターゲットの到達温度は、高温の放射源の温度によって制限されます。（T ^{4 の}法則により、放射源への逆流は上昇します。）表面温度が 4000 K ほどの高温の太陽は、フランスのモンルイ太陽炉の大きな凹面集光鏡の焦点にある小さなプローブで、およそ 3000 K（または 3000 °C、約 3273 K）に達します。^[20]

相転移または相変化は、熱力学システムにおいて、熱伝達によって物質の1 つの相または状態から別の相または状態へと起こります。相変化の例としては、氷の融解や水の沸騰などがあります。メイソン方程式は、蒸発と凝縮に対する熱輸送の影響に基づいて水滴の成長を説明します。

相転移には物質の 4 つの基本状態が関係します。

• 固体– 堆積、凍結、固体から固体への変化。
• 液体– 凝縮と溶融/融合。
• ガス– 沸騰/蒸発、再結合/ 脱イオン、昇華。
• プラズマ–イオン化。

物質の沸点とは、液体の蒸気圧が液体の周囲の圧力と等しくなり^{[22] [23]}、液体が蒸発して蒸気の体積が急激に変化する温度である。

閉鎖系では、飽和温度と沸点は同じ意味です。飽和温度は、対応する飽和圧力で液体が沸騰して蒸気相になる温度です。液体は熱エネルギーで飽和していると言えます。熱エネルギーが追加されると、相転移が起こります。

標準大気圧と低温では、沸騰は起こらず、熱伝達率は通常の単相メカニズムによって制御されます。表面温度が上昇すると、局所沸騰が起こり、蒸気泡が核形成して周囲の冷たい流体に成長し、崩壊します。これはサブクール核沸騰であり、非常に効率的な熱伝達メカニズムです。泡の発生率が高いと、泡が干渉し始め、熱流束は表面温度とともに急速に増加しなくなります (これが核沸騰(DNB) からの逸脱です)。

同様の標準大気圧と高温では、流体力学的に静かな膜沸騰状態に達します。安定した蒸気層を横切る熱流束は低いですが、温度とともにゆっくりと上昇します。流体と表面の間に接触が見られると、おそらく非常に急速な新しい蒸気層の核生成 (「自発的核生成」) が起こります。さらに高温になると、熱流束が最大になります (臨界熱流束、または CHF)。

ライデンフロスト効果は、ヒーターの表面のガス泡により核沸騰が熱伝達を遅くする様子を示しています。前述のように、ガス相の熱伝導率は液相の熱伝導率よりもはるかに低いため、結果として一種の「ガス熱障壁」が形成されます。

凝縮は蒸気が冷却されて液体に相変化するときに起こります。凝縮中は、蒸発潜熱が放出されなければなりません。熱量は、同じ流体圧力で蒸発中に吸収される熱量と同じです。^[24]

結露にはいくつかの種類があります。

• 霧の形成時のような均一な凝縮。
• 過冷却液体と直接接触して凝縮します。
• 熱交換器の冷却壁と直接接触して凝縮する：これは業界で最も一般的に使用されるモードです。
  • 膜状凝縮は、過冷却された表面上に液膜が形成される現象で、通常は液体が表面を濡らすときに発生します。
  • 滴状凝縮は、過冷却された表面上に液滴が形成される現象で、通常は液体が表面を濡らさない場合に発生します。
  滴状の凝縮を確実に維持することは困難であるため、産業用機器は通常、膜状の凝縮モードで動作するように設計されています。

融解は、物質が固体から液体へと相転移する熱過程である。物質の内部エネルギーは、典型的には熱または圧力によって増加し、その結果、融点まで温度が上昇する。融点に達すると、固体中のイオンまたは分子の秩序が崩れ、秩序の低い状態になり、固体は液化する。溶融物質は一般に、温度が上昇すると粘度が低下する。この原則の例外は硫黄元素で、硫黄の粘度は重合により一定値まで上昇し、その後溶融状態で温度が上昇すると低下する。^[25]

熱伝達はさまざまな方法でモデル化できます。

熱方程式は、与えられた領域における熱の分布（または温度変化）を時間とともに記述する重要な偏微分方程式です。方程式の厳密な解が得られる場合もありますが^{[26]、他の場合には、熱/反応粒子システムのDEMベースのモデルなどの}計算方法を使用して方程式を数値的に解く必要があります（Pengら^[27]による批判的レビューを参照）。

集中システム解析では、多くの場合、方程式の複雑さが 1 つの 1 次線形微分方程式にまで低減されます。その場合、加熱と冷却は単純な指数解によって記述され、ニュートンの冷却の法則と呼ばれることがよくあります。

集中容量モデルによるシステム解析は、物体内部の熱伝導が物体の境界を越える熱伝導よりはるかに速い場合に使用できる、過渡伝導における一般的な近似法です。これは、過渡伝導システムの 1 つの側面 (物体内部) を同等の定常システムに縮小する近似法です。つまり、この方法では、物体内部の温度は時間とともに変化する可能性があるものの、完全に均一であると想定します。

この方法では、物体内の伝導熱抵抗と物体の境界を越える対流熱伝達抵抗の比、いわゆるビオ数を計算します。ビオ数が小さい場合、物体内の空間的に均一な温度の近似を使用できます。物体に伝達された熱は、物体に入る熱の抵抗と比較して、そうすることに対する抵抗が低いため、均一に分散する時間があると推定できます。^[28]

気候モデルは、大気、海洋、地表、氷の相互作用をシミュレートする定量的な方法を使用して放射熱伝達を研究します。 ^[29]

熱伝達は、多くのデバイスやシステムの機能に幅広く応用されています。熱伝達の原理は、さまざまな状況で温度を維持、上昇、または低下させるために使用できます。^{[30]熱伝達方法は、}自動車工学、電子機器およびシステムの熱管理、気候制御、断熱、材料処理、化学工学、発電所工学など、多くの分野で使用されています。

断熱材は、伝導、対流、またはその両方を制限することで熱の流れを減らすように特別に設計された材料です。熱抵抗は熱特性であり、物体または材料が温度差に対する熱の流れ（時間単位あたりの熱または熱抵抗）に抵抗する測定値です。

放射輝度、またはスペクトル放射輝度は、通過または放射される放射の量の尺度です。放射バリアは放射を反射する材料であり、放射源からの熱の流れを減らします。優れた絶縁体が必ずしも優れた放射バリアであるとは限りませんし、その逆も同様です。たとえば、金属は反射体としては優れていますが、絶縁体としては劣っています。

放射バリアの効果は、反射率、つまり反射される放射の割合で示されます。反射率の高い材料（特定の波長で）は放射率が低く、その逆も同様です。特定の波長では、反射率 = 1 - 放射率です。理想的な放射バリアは反射率が 1 で、入射する放射を 100 パーセント反射します。この理想に近づくために、真空フラスコ（デュワー）は銀メッキされています。宇宙空間の真空では、衛星は多層断熱材を使用します。これは、アルミニウムメッキされた（光沢のある）マイラーの多くの層で構成され、放射熱伝達を大幅に削減し、衛星の温度を制御します。^[31]

熱機関は、熱エネルギー（熱）の流れを機械エネルギーに変換して機械的な仕事を実行するシステムです。^{[32] [33]}

熱電対は温度測定装置であり、測定と制御に広く使用されているタイプの温度センサーであり、熱を電力に変換するためにも使用できます。

熱電冷却器は、電流が流れるとデバイスの片側からもう一方の側へ熱を送り出す（移動させる）固体電子デバイスです。ペルチェ効果に基づいています。

サーマルダイオードまたはサーマル整流器は、熱を一方向に優先的に流すデバイスです。

熱交換器は、より効率的な熱伝達や熱の放散に使用されます。熱交換器は、冷凍、空調、暖房、発電、化学処理に広く使用されています。熱交換器の一般的な例としては、自動車のラジエーターが挙げられます。ラジエーターの表面を流れる空気によって、高温の冷却液が冷却されます。 ^{[34] [35]}

熱交換器の一般的な流れのタイプには、並流、向流、直角流があります。並流では、両方の流体が熱を伝達しながら同じ方向に移動します。向流では、流体は反対方向に移動します。直角流では、流体は互いに直角に移動します。一般的な熱交換器のタイプには、シェルアンドチューブ、二重管、押し出しフィンパイプ、スパイラルフィンパイプ、U 字管、積層プレートがあります。各タイプには、他のタイプに比べて特定の利点と欠点があります。^{[さらに説明が必要]}

ヒートシンクは、固体材料内で発生した熱を空気や液体などの流体媒体に伝達する部品です。ヒートシンクの例としては、冷凍空調システムや自動車のラジエーターで使用される熱交換器があります。ヒートパイプは、熱伝導性と相転移を組み合わせて 2 つの固体界面間で熱を効率的に伝達する別の熱伝達装置です。

効率的なエネルギー使用は、暖房や冷房に必要なエネルギー量を削減することを目標としています。建築物では、結露や空気の流れにより外観や構造に損傷が生じる可能性があります。エネルギー監査は、推奨される是正手順の実施を評価するのに役立ちます。たとえば、断熱材の改善、構造上の漏れの気密性向上、エネルギー効率の高い窓やドアの追加などです。^[36]

• スマートメーターは、一定間隔で電気エネルギーの消費量を記録する装置です。
• 熱伝達率は、構造物を通る熱伝達率を構造物全体の温度差で割ったものです。これは、ワット/平方メートル/ケルビン、つまり W/(m ² K) で表されます。建物の断熱がしっかりしている部分の熱伝達率は低く、断熱が不十分な部分の熱伝達率は高くなります。
• サーモスタットは温度を監視および制御する装置です。

気候工学は、二酸化炭素除去と太陽放射管理から成ります。二酸化炭素の量によって地球の大気の放射バランスが決まることから、二酸化炭素除去技術を適用して放射強制力を減らすことができます。太陽放射管理は、温室効果ガスの影響を相殺するために太陽放射の吸収を減らす試みです。

代替の方法として、受動的な昼間の放射冷却があり、赤外線窓（8～13μm）を通して地上の熱を宇宙空間へ流すというものがあります。^{[37] [38]}この方法は、単に太陽放射を遮断するのではなく、外向きの長波赤外線（LWIR）放射熱伝達を宇宙空間の極寒の温度（約2.7K）で増加させ、エネルギー入力をゼロに抑えながら周囲温度を下げます。^{[39] [40]}

温室効果とは、惑星表面からの熱放射が大気中の温室効果ガスや雲に吸収され、あらゆる方向に再放射されるプロセスであり、その結果、吸収物質がない場合に比べて宇宙に到達する熱放射の量が減少します。放射量の減少により、表面と対流圏の温度が上昇し、放射量が再び太陽から到達する熱量と等しくなります。^[42]

工学システムにおける熱伝達の原理は、人体がどのように熱を伝達するかを判断するために人体に適用できます。熱は、体のシステムにエネルギーを供給する栄養素の継続的な代謝によって体内で生成されます。^[43]人体は、健康的な身体機能を維持するために、一定の内部温度を維持する必要があります。したがって、体が過熱しないように、余分な熱を体から放散する必要があります。人が高度な身体活動に従事すると、体は追加の燃料を必要とし、代謝率と熱生成率が増加します。次に、体は、内部温度を健康的なレベルに保つために、生成された余分な熱を除去するために追加の方法を使用する必要があります。

対流による熱伝達は、体の表面上の流体の動きによって駆動されます。この対流流体は、液体または気体です。体の外表面からの熱伝達の場合、対流メカニズムは、体の表面積、空気の速度、および皮膚表面と周囲の空気との間の温度勾配に依存します。^[44]体の通常の温度は約 37 °C です。周囲の温度が通常の体温よりも大幅に低い場合、熱伝達はより容易に起こります。この概念は、寒い環境にさらされたときに十分な覆いをしていないと人が寒く感じる理由を説明しています。衣服は、体の覆われた部分の熱の流れに熱抵抗を提供する絶縁体と考えることができます。^[45]この熱抵抗により、衣服の表面温度は皮膚の表面温度よりも低くなります。表面温度と周囲温度の間の温度勾配が小さいため、皮膚が覆われていない場合よりも熱伝達率が低くなります。

体の一部が他の部分よりも著しく高温にならないようにするには、熱が体組織全体に均等に分散される必要があります。血管を流れる血液は対流流体として機能し、体組織内に余分な熱が蓄積するのを防ぎます。血管を通る血液の流れは、工学システムではパイプの流れとしてモデル化できます。血液によって運ばれる熱は、周囲の組織の温度、血管の直径、流体の厚さ、流れの速度、血液の熱伝達係数によって決まります。速度、血管の直径、流体の厚さはすべて、流体力学で流体の流れを特徴付けるために使用される無次元数であるレイノルズ数と関連しています。

潜熱損失は蒸発熱損失とも呼ばれ、体から失われる熱の大部分を占めます。体幹温度が上昇すると、体は皮膚の汗腺を刺激して皮膚の表面に水分を補給します。その後、液体は蒸気に変わり、体の表面から熱を奪います。^[46]蒸発熱損失率は、皮膚表面の蒸気圧と皮膚上の水分量に直接関係しています。^[44]したがって、熱伝達は皮膚が完全に濡れているときに最大になります。体は蒸発によって継続的に水分を失っていますが、最も顕著な熱損失が発生するのは身体活動が増加している期間です。

蒸発冷却は、周囲の空気に水蒸気が加わったときに起こります。水を蒸発させるために必要なエネルギーは、空気のエンタルピーが一定である間に、顕熱の形で空気から取り出され、潜熱に変換されます。潜熱は、液体を蒸発させるために必要な熱量を表します。この熱は、液体自体と周囲のガスおよび表面から発生します。2 つの温度の差が大きいほど、蒸発冷却効果は大きくなります。温度が同じ場合、空気中の水の正味の蒸発は発生しないため、冷却効果はありません。

量子物理学では、レーザー冷却を使用して原子および分子サンプルの温度を絶対零度（-273.15 °C、-459.67 °F）近くまで到達させ、この熱レベルでのみ発生できる固有の量子効果を観察します。

• ドップラー冷却はレーザー冷却の最も一般的な方法です。
• 共鳴冷却とは、ある種類の粒子が別の種類の粒子を冷却するプロセスです。通常、レーザーで直接冷却できる原子イオンを使用して、近くのイオンや原子を冷却します。この技術により、レーザーで直接冷却できないイオンや原子を冷却できます。^[47]

磁気蒸発冷却は、レーザー冷却などの方法で事前に冷却した後、原子群の温度を下げるプロセスです。磁気冷凍は、磁気熱量効果を利用して 0.3K 以下に冷却します。

放射冷却は、物体が放射によって熱を失うプロセスです。放射されるエネルギーは、地球のエネルギー収支において重要な効果です。地球大気システムの場合、これは太陽からの短波（可視）エネルギーの吸収をバランスさせるために長波（赤外線）放射が放出されるプロセスを指します。熱圏（大気圏の上部）は、主に15μmの二酸化炭素（CO2）と5.3μmの一酸化窒素（NO）によって放射される赤外線エネルギーによって宇宙空間に冷却されます_。 [ ^48]対流による熱輸送と潜熱の蒸発による熱輸送はどちらも表面から熱を取り除き、大気中に再分配します。

熱エネルギー貯蔵には、後で使用するためにエネルギーを収集して貯蔵する技術が含まれます。昼と夜のエネルギー需要のバランスを取るために使用できます。熱貯蔵庫は、周囲環境よりも高い温度または低い温度に維持できます。用途には、空間暖房、家庭用またはプロセス用温水システム、または発電などがあります。

1701年、アイザック・ニュートンは匿名で哲学論文集に論文を発表し、物体の温度変化率は物体とその周囲の温度差（ graduum caloris ^{、「熱の度合い」）に比例する（現代の言葉で言えば）と述べた。 [49]}「温度変化」という表現は後に「熱損失」に置き換えられ、この関係はニュートンの冷却の法則と名付けられた。一般に、この法則は温度差が小さく、熱伝達のメカニズムが同じである場合にのみ有効である。

熱伝導においては、この法則は、温かい物体の熱伝導率が温度に依存しない場合にのみ有効です。ほとんどの物質の熱伝導率は温度にわずかにしか依存しないため、一般にこの法則は当てはまります。

対流熱伝達では、この法則は、流体の特性が温度によって大きく変化しない強制空気またはポンプ流体冷却には有効ですが、流れの速度が温度差とともに増加する浮力駆動対流には近似的にしか当てはまりません。

熱放射による熱伝達の場合、ニュートンの冷却の法則は、非常に小さな温度差に対してのみ適用されます。

1780年にベンジャミン・フランクリンに宛てた手紙の中で、オランダ生まれのイギリス人科学者ヤン・インゲンハウスは、 7種類の金属を熱伝導率に応じて順位付けする実験について述べている。^[50]

覚えているでしょうが、あなたは私に 5 種類の金属のワイヤーを渡しました。すべて同じ穴に通されたワイヤーです。1 つは金、1 つは銀、銅、鋼、鉄です。私はここに他の 2 つ、すなわち 1 つは錫、もう 1 つは鉛を用意しました。私はこれらの 7 本のワイヤーを互いに等間隔で木枠に固定しました... 7 本のワイヤーを木枠と同じ深さまでこの溶けたワックスに浸しました... ワイヤーを取り出すと、ワックスの層で覆われていました... この皮膜がすべてのワイヤーにほぼ同じ厚さで付着していることがわかったので、沸騰させてある程度加熱したオリーブ オイルで満たしたガラス張りの土器にすべてのワイヤーを入れました。各ワイヤーがオイルに同じ深さまで浸るように注意しました... さて、すべてのワイヤーが同じ時間に同じオイルに浸されたので、ワックスが最も溶けたワイヤーが最高の熱伝導体であったことは当然です。 ...銀は他のすべての金属よりもはるかに優れた熱伝導率を示し、次いで銅、金、錫、鉄、鋼、鉛の順でした。

1784年から1798年にかけて、イギリスの物理学者ベンジャミン・トンプソン（ランフォード伯爵）はバイエルンに住み、カール・セオドア選帝侯 のためにバイエルン軍の再編成やその他の公務や慈善活動に携わった。選帝侯はトンプソンにマンハイムの選帝侯科学アカデミーの施設を利用する権利を与えた。マンハイムとその後のミュンヘンで過ごした年月の間に、トンプソンは熱に関する多数の発見と発明を行った。

1785年、トンプソンは一連の熱伝導率実験を行い、 1786年の哲学論文「熱に関する新しい実験」で詳細に説明しています。 ^{[51] [52]}電気伝導率の良いものは熱伝導率の良いものでもあることが多く、その逆もまた真なりであるという事実は当時よく知られていたに違いなく、トンプソンはそれについて何気なく言及しています。^{[53]彼は水銀、水、湿った空気、「通常の空気」（通常の大気圧の乾燥空気）、さまざまな希薄度の乾燥空気、および「}トリチェリ真空」の相対伝導率を測定することを意図していました。

電気流体と熱の導体と非導体に関する驚くべき類似性（一般に、電気流体の導体である物体は同様に熱の良導体であり、逆に、電気物体、または電気流体の不良導体は同様に熱の不良導体であることがわかった）から、電気流体が非常に容易に通過できることが知られているトリチェリの真空は、熱も容易に通過するはずであると想像するに至った。

これらの実験では、トンプソンは大きな密閉ガラス管の中に温度計を入れました。説明された状況下では、トンプソンは知らなかったのですが、熱は伝導よりも放射によって多く伝達された可能性があります。^[54]これが彼の結果でした。

実験後、トンプソンは真空は「それ自体が最悪の部類に入る」空気よりも熱伝導率が著しく低いことに驚きました。^[55]しかし、普通の空気と希薄な空気の間にはわずかな差しかありませんでした。^[56]彼はまた、乾燥した空気と湿った空気の間には大きな差があり、^[57]これがもたらす大きな利点にも気付きました。^[58]

神の摂理は、無限の知恵と慈悲によって、大気中の過度の暑さや寒さの悪影響から私たちを守ってくださっているように思えてなりません。なぜなら、もし空気が、夏に時々あるように、冬の厳しい寒さの間にも同じように湿っていたら、空気の伝導力、そしてその結果としての見かけの冷たさは、まったく耐え難いものになるからです。しかし、私たちにとって幸いなことに、空気が水を溶解させる力は弱まり、それとともに私たちの動物的な熱を奪う力も弱まります。

空気が非常に湿っているときに、ごくわずかな寒さが非常に不快であることは、誰もが知っています。そして、温度計が必ずしも大気の見かけの熱、つまり顕熱を正確に測定できるわけではない理由がここからわかります。風邪が...私たちの体から動物的な熱が奪われることによって引き起こされるのであれば、これらの病気が秋の冷たい雨のときや、春の霜が解けたときに最も多く発生する理由は明らかです。同様に、...湿った家に住むことが非常に危険である理由、夏の夕方の空気が非常に有害である理由、そして冬の厳しい霜のときはそうではない理由も明らかです。

トンプソン氏は最後に、温度と顕熱の重要な違いについてコメントした。

暑いとか寒いとかいう感覚は、その感覚を引き起こす体の温度だけに依存するのではなく、その体が私たちに伝えたり、私たちから受け取ったりできる熱の量に依存します。そして、これは、問題の体の伝導力に大きく依存します。暑いという感覚は、私たちの体の中に熱が入り込むことです。寒いという感覚は、熱が外に出ていくことです。これは、温度計が顕熱を正確に測定できないこと、またはむしろ、触覚が実際の温度を正確に示すものではないことのもう 1 つの証拠です。

1830年代のブリッジウォーター論文集では、対流という用語が科学的な意味で使用されていることが証明されています。ウィリアム・プラウトの化学書の第8論文では、次のように述べられています。^[59]

この熱の動きは 3 つの方法で発生しますが、一般的な暖炉がそのことをよく示しています。たとえば、温度計を火の真前に置くと、温度はすぐに上昇し始め、温度の上昇を示します。この場合、熱は放射と呼ばれるプロセスによって、火と温度計の間の空間を通過しています。2 つ目の温度計を火格子の任意の部分に接触させ、火の直接の影響から離れた場所に置くと、この温度計も温度の上昇を示していますが、ここでは熱は伝導と呼ばれるものによって、火格子の金属を通過しているに違いありません。最後に、3 つ目の温度計を火の直接の影響から離れた場所の煙突に置くと、温度がかなり上昇していることがわかります。この場合、空気の一部が火を通過して火の近くを通過し、加熱され、火から得た温度を煙突に運び上げています。現在、私たちの言語には、この 3 番目の熱伝播モードを表すために使用される単一の用語はありません。しかし、私たちはその目的のために、対流[脚注: [ラテン語] Convectio 、運ぶ、運ぶ]という用語を提案することを敢えてします。これは主要な事実を表現するだけでなく、他の2つの用語とも非常によく一致しています。

その後、気象学に関する本の同じ論文 VIII では、対流の概念が「熱が水を介して伝達されるプロセス」にも適用されています。

• 強制対流と自然対流の組み合わせ
• 熱容量
• 熱伝達の向上
• 熱伝達物理学
• シュテファン・ボルツマンの法則
• 熱接触伝導率
• 熱物理学
• 熱抵抗

• マーティン、トーマス (1951)。「ベンジャミン・トンプソン、ランフォード伯爵の実験研究」。英国科学史協会紀要。1 ( 6 ) : 144–158)。doi : 10.1017/S0950563600000567。JSTOR  4024834。
• トンプソン、ベンジャミン (1786 年 1 月 1 日)。「XIV. 熱に関する新しい実験。ベンジャミン・トンプソン大佐、Knt. FRS によるジョセフ・バンクス卿、準男爵、PRS への手紙」ロンドン王立協会哲学論文集。76 : 273–304。doi : 10.1098 /rstl.1786.0014。

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• Thermal-FluidsPedia - オンライン熱流体百科事典。
• 熱伝達に関する Hyperphysics の記事 - 概要
• 季節間の熱伝達 - 化石燃料を燃やさずに建物を暖めるために熱伝達がどのように使用されるかを示す実例。
• 熱伝達の側面、ケンブリッジ大学
• 熱流体センター
• Energy2D: 誰でもインタラクティブな熱伝達シミュレーション