熱慣性

熱慣性とは、熱伝達中に物体の温度応答に生じる遅延を説明するためによく用いられる用語である。この現象は、物体が周囲環境に対して熱を蓄積および輸送する能力を持つために生じる。システム構成要素の構成、輸送モード（伝導、対流、放射、相変化など）、エネルギー貯蔵（内部エネルギー、エンタルピー、潜熱など）は事例ごとに大きく異なるため、熱慣性に対する一般的に適用可能な閉形式の数学的表現は存在しない。^{[ 1 ]}

質量と熱容量が比較的大きい物体は、一般的に温度変化に対する反応が遅くなります。しかし、熱容量だけでは熱慣性を正確に定量化することはできません。熱慣性の測定値は、システムの境界条件に従って、物体の内部と外部における熱の流れがどのように分布するかにも依存します。

熱慣性が示強量か示量量かは、文脈によって異なります。熱拡散率などとの関連において、熱慣性を示強的な物質特性として捉えている研究者もいます。また、過渡的な熱伝達時のシステムの時空間挙動を測定またはシミュレーションした結果に基づいて、示量量として評価される場合もあります。その場合、時定数は、特定の構成要素またはサブシステムの熱慣性を表す単純なパラメータとして適切に用いられることがあります。

説明

熱容量の大きい構成要素を1つ以上含む熱力学系では、系の挙動を測定またはモデル化する際に、動的効果、すなわち過渡的な効果を考慮する必要がある。定常状態計算は、平衡状態に達したときの熱流束と温度の有効な推定値を与えることが多いが、そのような安定状態または準安定状態への遷移経路に関する情報は得られない。今日では、複雑な系の時空間挙動は、詳細な数値シミュレーションによって正確に評価できる。場合によっては、集中定数系解析によって熱時定数を推定できる。^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{： 627}

より大きな熱容量 $C$ 一般的に、コンポーネントの平衡状態に達するまでの時間が長くなることを意味します。遷移速度は、コンポーネントの内部特性とも関連しています。 $U_{i}$ 環境 $U_{e}$ 界面面積を基準とした熱伝達係数 $A$ 時定数 $\displaystyle \tau }$ コンポーネントの温度が指数関数的に変化すると推定される場合、次のように調整されます。 $C/(A\cdot U_{e})$ ニュートンの冷却法則に従う条件下、そして比率によって特徴付けられる場合 $U_{e}/U_{i},$ またはビオ数、1よりはるかに小さい値。^{[ 4 ]}^{： 19-26}

熱慣性と、他の工学や物理学の分野で観察される時間的挙動との類推は、時として慎重に用いられることがある。^{[ 5 ]}建物の性能シミュレーションでは、熱慣性は熱フライホイール効果とも呼ばれ、構造物の質量の熱容量（熱質量と呼ばれることもある）は、交流駆動RC回路における電流と電圧の間の遅延と同様に、日中の熱流と温度の間に遅延を生じさせる可能性がある。熱慣性は、慣性が物体の加速度を制限する力学で使用される質量と速度の項とは直接比較しにくい。同様に、熱慣性は、質量の熱容量、および物体の表面温度を制御する熱パルスの速度の尺度となる。 ^[¹^]

熱拡散率

熱伝達が伝導の拡散過程のみによって支配される半無限剛体の場合、表面における熱慣性応答は、材料の熱拡散率（熱応答性とも呼ばれる）から近似することができる。 $r$ これは、材料の体積熱伝導率と体積熱容量の積の平方根として定義され、後者は密度と比熱容量の積です。^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

r={\sqrt {k\rho c}}

$k$ は熱伝導率であり、単位は W⋅m ⁻¹ ⋅K ^{−1である。}
$\rho$ は密度であり、単位は kg⋅m ^{−3である。}
$c$ は比熱容量であり、単位は J⋅kg ⁻¹ ⋅K ^{−1である。}

熱拡散率の単位は、熱伝達係数に時間の平方根を掛けたものです。

SI単位はW⋅m ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^1/2またはJ⋅m ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^−1/2です。
SI単位系に含まれないキーファーの単位、Cal⋅cm ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^−1/2も、古い文献では非公式に使用されている。^{[ i ]}

表面に一定の熱流が突然加えられると、 $r$ 表面の初期動的「熱慣性」応答を制限するという点で、ほぼ同じ役割を果たす。

U_{dyn}(t)\approx {\frac {r}{\sqrt {t}}};t>0

剛体の静的熱伝達係数として $U$ 表面の定常状態温度を決定する上で重要な役割を果たします。^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

参考文献

↑惑星地球物理学者のヒュー・H・キーファーによって造語された。

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[8] 惑星地球物理学者のヒュー・H・キーファーによって造語された。

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熱拡散率

関連項目

参考文献

関連するトピック

熱伝達

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質量と熱容量

境界条件