熱伝達

物質の移動によって、熱エネルギーを含むエネルギーは、高温または低温の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伝達されます。これは、ボトルに熱湯を入れてベッドを温めるような単純なものから、変化する海流の中で氷山が移動するようなものまで様々です。具体的な例としては、熱水力学が挙げられます。これは次の式で表すことができます。 $${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$ どこ

• $\displaystyle \phi _{q}}$熱流束（ W/ ^m²）
• ${\displaystyle \rho }$密度（kg/ ^m³）
• ${\displaystyle c_{p}}$は定圧比熱（J/kg・K）です。
• ${\displaystyle \Delta T}$温度差（K）
• ${\displaystyle v}$は速度（m/s）です。

微視的なスケールでは、熱伝導は、高温で高速に動いたり振動したりする原子や分子が隣接する原子や分子と相互作用し、そのエネルギー（熱）の一部をこれらの隣接する粒子に伝達することによって起こります。言い換えれば、隣接する原子が互いに振動するとき、または電子が1つの原子から別の原子に移動するときに、熱は伝導によって伝達されます。伝導は、固体内部または熱的に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。熱接触伝導は、接触している固体間の熱伝導の研究です。^{[ 8 ]}粒子の移動なしに熱が1つの場所から別の場所に伝達されるプロセスは伝導と呼ばれます。たとえば、冷たい水の入ったグラスに手を置くと、温かい皮膚から冷たいグラスに熱が伝導されますが、手をグラスから数インチ離すと、空気は熱の伝導性が低いため、伝導はほとんど起こりません。定常伝導は、伝導を駆動する温度差が一定である場合に発生する伝導の理想化されたモデルであり、時間が経過すると、伝導体内の温度の空間分布はそれ以上変化しなくなります（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）がゼロであるため、セクションに入る熱の量は、セクションから出る熱の量と等しくなります。^{[ 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。家の中は高温に保たれ、外は低温のままなので、単位時間あたりの熱伝達は壁の断熱材によって決定されるほぼ一定の速度にとどまり、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、物体内部の温度が時間とともに変化するときに発生します。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のみ有効です。実際の応用は一般的に、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れば、（重力場においては）熱エネルギーによって流体が膨張した際に生じる浮力によって強制される場合もある（例えば、火の煙のように）。後者のプロセスはしばしば「自然対流」と呼ばれる。すべての対流プロセスは、熱を拡散によっても部分的に移動させる。対流のもう一つの形態は強制対流である。この場合、流体はポンプ、ファン、またはその他の機械的な手段を用いて強制的に流される。

対流熱伝達、または単に対流とは、流体の移動によって熱がある場所から別の場所へ伝達される過程であり、本質的には質量移動による熱伝達である。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する。^{[ 10 ]}対流は通常、液体と気体における熱伝達の主要な形態である。対流は、熱伝達の第3の方法として議論されることもあるが、通常は流体内の熱伝導（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る。^{[ 11 ]}流体の流れによる輸送の過程は移流として知られているが、純粋な移流という用語は、一般的には川の小石の移流など、流体の質量輸送のみに関連付けられている。流体中の熱伝達の場合、流体中の対流による輸送は常に熱拡散（熱伝導とも呼ばれる）による輸送を伴うため、熱対流のプロセスは、対流と拡散／伝導による熱輸送の合計を指すものと理解される。

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全体的な動き（流れや流れ）が引き起こされるときに発生します。強制対流とは、ファン、攪拌機、ポンプなどの外部手段によって流体の流れや流れが誘発され、人工的に対流が発生する場合に使用される用語です。^{[ 12 ]}

容器の下から加熱される流体においては、伝導と対流が支配権を競い合うと考えられる。熱伝導が大きすぎると、対流によって下降する流体は伝導によって急速に加熱され、浮力によって下降が停止する。一方、対流によって上昇する流体は伝導によって急速に冷却され、浮力が低下する。その一方で、熱伝導が非常に小さい場合は、大きな温度勾配が生じ、対流が非常に強くなる可能性がある。

レイリー数（${\displaystyle \mathrm {Ra} }$) はグラスホフの産物です (${\displaystyle \mathrm {Gr} }$）とプラントル（${\displaystyle \mathrm {Pr} }$）数値。伝導と対流の相対的な強さを決定する尺度です。^{[ 13 ]}

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

• gは重力による加速度であり、
• ρは密度であり、${\displaystyle \Delta \rho }$下端と上端の密度差は、
• 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（場合によってはαと表記される）である。
• Tは温度です。
• νは動粘度であり、
• Lは特性長さである。

レイリー数は、対流による熱伝達速度と伝導による熱伝達速度の比、あるいは同等に、対応する時間スケールの比（すなわち、伝導時間スケールを対流時間スケールで割った値）として理解できます。ただし、数値係数を除いた値となります。これは以下のように表すことができます。ただし、すべての計算は、システムの形状に応じて数値係数を除いた値となります。

対流を駆動する浮力はおおよそ${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$対応する圧力はおおよそ${\displaystyle g\Delta \rho L}$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、ほぼ等しくなります。${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}}$ここで、Vは対流による典型的な流体速度であり、${\displaystyle T_{\text{conv}}}$その時間スケールのオーダー。^{[ 14 ]}一方、伝導時間スケールはオーダーである。${\displaystyle T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha }$。

レイリー数が1,000～2,000を超えると対流が発生する。

放射熱伝達は、熱放射、すなわち電磁波によるエネルギー伝達です。^{[ 1 ]}これは真空またはあらゆる透明な媒体（固体、流体、気体）を介して発生します。^{[ 15 ]}絶対零度以上の温度にあるすべての物体は、物質中の原子や分子のランダムな運動により熱放射を放出します。これらの原子や分子は荷電粒子（陽子と電子）で構成されているため、その運動によって電磁放射が放出され、エネルギーが運び去られます。放射は通常、非常に高温の物体、または温度差の大きい物体の工学的応用においてのみ重要です。

物体の大きさとそれらを隔てる距離が、熱放射の波長に比べて大きい場合、放射エネルギーの伝達速度は、ステファン・ボルツマン方程式によって最もよく表される。 $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$$

2つの物体間の放射伝達については、以下の式が成り立ちます。 $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$ どこ

• $\displaystyle \phi _{q}}$熱流束は、
• ${\displaystyle \epsilon }$は放射率（黒体の場合は1 ）です。
• ${\displaystyle \sigma }$はステファン・ボルツマン定数である。
• ${\displaystyle F}$は、 2 つの表面 a と b の間の視野係数であり、 ^{[ 16 ]}であり、
• ${\displaystyle T_{a}}$そして${\displaystyle T_{b}}$これらは、2つの物体の絶対温度（ケルビンまたはランキン度）です。

ステファン・ボルツマン方程式によって定められた黒体放射の限界は、熱放射を交換する物体同士のスケールや、それらの間の距離が、支配的な熱波長と同程度かそれよりも小さい場合に超えられることがある。このような場合の研究は、近接場放射伝熱と呼ばれる。

太陽からの放射、すなわち太陽放射は、熱と電力として利用できます。^{[ 17 ]}伝導や対流による熱伝達とは異なり、熱放射（狭い角度で到達する、つまり距離よりもはるかに小さい光源から来る）は、反射鏡を使用することで小さなスポットに集中させることができ、これは太陽光発電や燃焼ガラスの集中化に利用されています。^{[ 18 ]}例えば、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 ℃（545 °F）まで加熱することができます。^{[ 19 ]}  

ターゲットで到達可能な温度は、放射の高温源の温度によって制限されます。(T ⁴法則により、放射が光源に戻る逆流が増加します。) (表面温度が) 約 4000 K 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ミラーの焦点スポットにある小さなプローブで、おおよそ 3000 K (または 3000  °C、約 3273 K) に到達できます。^{[ 20 ]}

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、液体が蒸発して蒸気量が急激に変化する温度のことである^{[ 22 ] [ 23 ] 。}

閉鎖系においては、飽和温度と沸点は同じ意味を持つ。飽和温度とは、対応する飽和圧力において液体が沸騰して気相に変化する温度のことである。このとき、液体は熱エネルギーで飽和していると言える。熱エネルギーが加えられると、相転移が起こる。

標準大気圧および低温では、沸騰は発生せず、熱伝達速度は通常の単相機構によって制御されます。表面温度が上昇すると、局所的な沸騰が発生し、蒸気泡が核生成して周囲の低温流体中に成長し、崩壊します。これは過冷却核沸騰と呼ばれ、非常に効率的な熱伝達機構です。泡の発生率が高くなると、泡同士が干渉し始め、熱流束は表面温度の上昇に伴って急速に増加しなくなります（これが核沸騰からの逸脱、またはDNBです）。

同様の標準大気圧と高温条件下では、流体力学的に穏やかな膜沸騰状態に達する。安定した蒸気層を通過する熱流束は低いが、温度とともにゆっくりと上昇する。流体と表面との接触が見られる場合、おそらく新たな蒸気層の極めて急速な核生成（「自発的核生成」）につながる。さらに高温になると、熱流束は最大値（臨界熱流束、またはCHF）に達する。

ライデンフロスト効果とは、核沸騰によってヒーター表面に気泡が発生し、熱伝達が遅くなる現象です。前述のように、気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「気体熱障壁」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。凝縮の際には、蒸発潜熱が放出されなければなりません。放出される熱量は、同じ流体圧力での蒸発時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、均一な凝結。
• 過冷却液体と直接接触した際の凝縮。
• 熱交換器の冷却壁面との直接接触による結露：これは産業界で最も一般的に使用されている方式です。
  • 膜状凝縮とは、過冷却された表面に液膜が形成される現象であり、通常は液体が表面を濡らしたときに発生する。
  • 液滴凝縮とは、過冷却された表面に液滴が形成される現象であり、通常は液体が表面を濡らさない場合に起こる。
  滴状凝縮は安定して維持することが難しいため、工業用装置は通常、膜状凝縮モードで動作するように設計されている。

融解とは、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、通常は熱または圧力によって増加し、その結果、温度が融点まで上昇する。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、固体が液化する。溶融物質は一般的に、温度の上昇とともに粘度が低下する。この法則の例外は硫黄であり、硫黄の粘度は重合によってある点まで増加し、その後、溶融状態では温度の上昇とともに低下する。^{[ 25 ]}

熱方程式は、時間経過に伴う特定の領域における熱分布（または温度変化）を記述する重要な偏微分方程式です。場合によっては、この方程式の厳密解が得られます。 ^{[ 26 ]}他の場合、熱/反応粒子系に対するDEMベースのモデルなどの計算手法を使用して、数値的に方程式を解く必要があります（Pengら^{[ 27 ]}によって批判的にレビューされています）。

集中定数系解析では、方程式の複雑さを1つの1階線形微分方程式に簡略化することが多く、その場合、加熱と冷却は単純な指数関数解で記述され、これはしばしばニュートンの冷却法則と呼ばれます。

集中容量モデルによるシステム解析は、過渡伝導においてよく用いられる近似手法であり、物体内部の熱伝導が物体の境界を横切る熱伝導よりもはるかに速い場合に利用できます。これは、過渡伝導システムの一側面、すなわち物体内部の熱伝導を等価な定常状態システムに簡略化する近似法です。つまり、この手法では、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仮定しています。

この方法では、物体内部の伝導熱抵抗と物体の境界を横切る対流熱伝達抵抗の比であるビオ数を計算します。ビオ数が小さい場合、物体内部の温度が空間的に均一であるという近似を使用できます。物体に伝わる熱は、物体に入る熱に対する抵抗に比べて伝わる熱に対する抵抗が低いため、均一に分布する時間があると想定できます。^{[ 28 ]}

気候モデルは、大気、海洋、地表面、氷の相互作用をシミュレートする定量的手法を用いて放射熱伝達を研究する。 ^{[ 29 ]}

断熱材とは、伝導、対流、またはその両方を制限することによって熱の流れを減少させるように特別に設計された材料です。熱抵抗とは、物体や材料が温度差に対して熱の流れ（単位時間あたりの熱量、または熱抵抗）に抵抗する度合いを示す熱特性です。

放射輝度、またはスペクトル放射輝度とは、透過または放出される放射線の量を表す尺度です。放射遮断材とは、放射線を反射する材料であり、放射源からの熱の流れを減少させます。優れた断熱材が必ずしも優れた放射遮断材であるとは限らず、その逆もまた然りです。例えば、金属は優れた反射材ですが、断熱材としては劣ります。

放射遮断材の有効性は、反射率によって示されます。反射率とは、反射される放射線の割合です。特定の波長において反射率が高い材料は、同じ波長において放射率が低く、その逆もまた然りです。任意の特定の波長において、反射率＝1－放射率となります。理想的な放射遮断材は反射率が1であり、入射する放射線の100％を反射します。真空フラスコやデュワー瓶は、この理想に近づけるために銀メッキされています。宇宙空間の真空中では、衛星は多層断熱材を使用しています。これは、放射熱伝達を大幅に低減し、衛星の温度を制御するために、アルミニウム蒸着（光沢）されたマイラーの層を何層も重ねたものです。

熱機関は、熱エネルギーの流れを機械エネルギーに変換して機械的な仕事を行うシステムです。^{[ 30 ] [ 31 ]}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温度センサーの一種で、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一方の側からもう一方の側に熱をポンプで送り出す（伝達する）固体電子デバイスです。これはペルティエ効果に基づいています。熱ダイオードまたは熱整流器は、熱を優先的に一方向に流すデバイスです。

効率的なエネルギー利用とは、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。建築においては、結露や気流によって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、推奨される是正措置の実施状況を評価する上で役立ちます。例えば、断熱材の改善、構造上の漏れ箇所の気密化、エネルギー効率の高い窓やドアの設置などが挙げられます。^{[ 34 ]}

• スマートメーターとは、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。
• 熱透過率とは、構造物を通して伝わる熱量を、構造物全体の温度差で割った値です。単位はワット/平方メートル/ケルビン（W/(m²K ⁾）です。断熱性の高い部分は熱透過率が低く、断熱性の低い部分は熱透過率が高くなります。
• サーモスタットは、温度を監視および制御するための装置です。

気候工学は、二酸化炭素除去と太陽放射管理から構成される。二酸化炭素の量は地球大気の放射収支を決定するため、二酸化炭素除去技術は放射強制力を低減するために応用できる。太陽放射管理とは、温室効果ガスの影響を相殺するために、太陽放射の吸収量を減らす試みである。

代替方法として、受動的な日中の放射冷却があり、これは赤外線ウィンドウ（8～13  μm）を通して地球から宇宙空間への熱の流れを増強します。^{[ 35 ] [ 36 ]}この方法は、単に太陽放射を遮断するのではなく、宇宙空間の極めて低い温度（約2.7 K ）との間で放出される長波赤外線（LWIR）熱放射熱伝達を増加させ、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。^{[ 37 ] [ 38 ]}

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よって吸収され、あらゆる方向に再放射される過程であり、吸収物質がない場合に比べて宇宙空間に到達する熱放射の量が減少する。この放射量の減少により、放射量が再び太陽から届く熱量と等しくなるまで、地表と対流圏の温度が上昇する。^{[ 40 ]}

工学システムの熱伝達の原理は、人体に適用して、人体がどのように熱を伝達するかを決定することができます。熱は、体内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。^{[ 41 ]}人体は、健康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、過熱を防ぐために、余分な熱は体から放散されなければなりません。人が高レベルの身体活動を行うと、体は追加の燃料を必要とし、代謝率と熱生成率が上昇します。その後、体は、内部温度を健康的なレベルに保つために、生成された追加の熱を除去するための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、体の表面を流れる流体の動きによって起こります。この対流流体は、液体でも気体でも構いません。体の表面からの熱伝達の場合、対流のメカニズムは、体の表面積、空気の速度、皮膚の表面と周囲の空気との間の温度勾配に依存します。^{[ 42 ]}体の通常の温度は約37  ℃です。周囲の温度が通常の体温よりもかなり低い場合、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着用していないと、人が寒さを感じる理由を説明しています。衣服は、体の覆われた部分を通過する熱の流れに対する熱抵抗を提供する断熱材と考えることができます。^{[ 43 ]}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この小さな温度勾配により、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。

体のある部分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、体組織全体に熱を均等に分散させる必要があります。血管を流れる血液は対流流体として働き、体組織内部に過剰な熱が蓄積されるのを防ぎます。血管を流れる血液の流れは、工学システムにおける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量は、周囲の組織の温度、血管の直径、流体の厚さ、流速、および血液の熱伝達係数によって決まります。流速、血管の直径、および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付けることができます。

潜熱損失、別名蒸発熱損失は、体からの熱損失の大部分を占めます。体の中心温度が上昇すると、体は皮膚の汗腺を刺激して皮膚表面に水分を供給します。液体はその後蒸気に変化し、体表面から熱を奪います。^{[ 44 ]}蒸発熱損失の速度は、皮膚表面の水蒸気圧と皮膚に存在する水分量に直接関係します。^{[ 42 ]}したがって、皮膚が完全に濡れているときに最大の熱伝達が発生します。体は常に蒸発によって水分を失っていますが、最も大きな熱損失は身体活動が増加している期間に発生します。

熱エネルギー貯蔵とは、エネルギーを収集・貯蔵して後で使用するための技術を指します。これは、昼夜間のエネルギー需要のバランスを取るために利用できます。蓄熱槽は、周囲環境の温度よりも高い温度、または低い温度に維持することができます。用途としては、暖房、家庭用または工業用温水システム、発電などが挙げられます。

1701年、アイザック・ニュートンは匿名で『フィロソフィカル・トランザクションズ』誌に論文を発表し、（現代の用語で）物体の温度変化率は、物体とその周囲の温度差（graduum caloris、「熱度」）に比例すると指摘した。^{[ 47 ]}「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、熱伝達機構が同じである場合にのみ有効である。

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・インゲンホウスは、 7種類の金属を熱伝導率に基づいてランク付けする実験について述べている。^{[ 48 ]}

覚えていると思いますが、あなたは私に、金、銀、銅、鋼鉄、鉄の5種類の金属のワイヤーを同じ穴に通して渡しました。私はここに残りの2種類、つまり錫と鉛を用意しました。私はこれら7本のワイヤーを等間隔で木製の枠に固定しました。…私は7本のワイヤーを木製の枠と同じ深さまで溶かした蝋に浸しました。…それらを取り出すと、蝋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できていることがわかったので、沸騰寸前の温度に加熱したオリーブオイルで満たされたガラス張りの土器にそれらをすべて入れ、各ワイヤーが他のワイヤーと同じ深さまで油に浸かるように注意しました。…さて、それらはすべて同時に同じ油に同じように浸されたので、蝋が最も高く溶けたワイヤーが最も熱伝導率が高かったに違いありません。銀は他のどの金属よりもはるかに熱伝導率が高く、次に銅、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（ラムフォード伯爵）はバイエルンに滞在し、選帝侯カール・テオドールのためにバイエルン軍の再編成を行うなど、公務や慈善活動に従事した。選帝侯はトンプソンにマンハイムにある選帝侯科学アカデミーの施設を利用することを許可した。マンハイム、そして後にミュンヘンに滞在したトンプソンは、熱に関する数多くの発見と発明を行った。

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確認されています。ウィリアム・プラウトによる化学に関する論文集の第VIII巻には、次のように書かれています。^{[ 57 ]}

熱の移動は3つの方法で起こり、一般的な暖炉でよくわかります。たとえば、温度計を火の真前に置くと、すぐに温度が上昇し始めます。これは温度の上昇を示しています。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って伝わります。2つ目の温度計を火格子のどこかに接触させ、火の直接的な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ます。ただし、この場合は、熱は伝導と呼ばれるプロセスによって火格子の金属を通って伝わったはずです。最後に、3つ目の温度計を火の直接的な影響から離れた煙突に置くと、かなりの温度上昇を示します。この場合、火の近くを通過する空気の一部が加熱され、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つ目の熱の伝播モードを表す単一の用語はありません。しかし、我々はその目的のために「対流」という用語を提案する。[脚注：[ラテン語] Convectio、運搬または伝達] 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する。

その後、同じ論文の第VIII巻、気象学に関する書物の中で、対流の概念は「水を通して熱が伝達される過程」にも適用されている。