伝熱

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伝熱（でんねつ）とは、熱エネルギーが、空間のある場所から別の場所に移動する現象。熱移動とも。伝熱は熱の移動現象を扱う工学であり、熱工学の一分野である。

[編集] 伝熱の形態

温度差や温度勾配を駆動力として熱移動が起る現象は、熱伝導、熱伝達、熱放射に大きく分類される。

この他に相変化を伴う熱移動や、物質の濃度勾配と熱移動の関係を示すソーレー効果やデュフォー効果など、電場と熱移動の関係を表すペルチェ効果やゼーベック効果、トムソン効果などもこの伝熱現象となる。

熱伝導は、物体の移動なく物質内でその温度勾配に比例した熱流束（単位時間に単位面積を横切るエネルギー量）を生じる現象であり、フーリエの法則として下記の式で表される。

$q=-k\frac{dT}{dx}$

$q$ は熱流束 W/m²、 $k$ は熱伝導率 W/mK、 $T$ は温度 K、 $x$ は位置 m。

熱伝達は、温度差に比例した熱移動を表すものであり、物質の流れや凝縮や蒸発、濃度の変化など他の物理現象を伴った熱流束を表す。

d q = h (T f - T s)

$d q$ は単位時間に単位面積を横切って移動した熱量 W/m²、 $h$ は熱伝達率、 $T f$ は流体の温度、 $T s$ は固体表面の温度。

熱放射はプランクの法則に従って固体表面から電磁波として放出されるエネルギーであり、そのエネルギーの交換はキルヒホッフの法則などに従う。温度に関わる主なものとしてステファン-ボルツマンの法則がある。

プランクの法則は、波長範囲 $λ˜λ + Δλ$ においての光のエネルギー W/m³は

$E(\lambda)=\frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1}$

と表せる。ここで $h$ はプランク定数、 $λ$ は光の波長、 $k$ はボルツマン定数。

この式を光の全波長で積分したものが

$E_B(T)=\int_0^\infty\frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1} d\lambda = \sigma T^4$

となる。この黒体の放射エネルギーが物体の温度の4乗に比例するという法則をステファン・ボルツマンの法則と言う。方向性のない熱放射は固体表面の放射率 $\varepsilon$ によって、 $\varepsilon\sigma T^4$ となる。2つの固体間の放射熱交換は、それぞれの固体が相手を見る立体角に関係する形態係数 $F_{1\rightarrow 2}$ などを用いて計算される。