対流：特性、例、アプリケーション - 物理的 - 2025

対流熱は別の暖かい冷却器、1つのゾーンから転送された三つのメカニズムの一つです。これは、液体または気体である可能性のある流体の質量の動きが原因で発生します。いずれにせよ、このメカニズムを実行するには、常に材料媒体が必要です。

問題の流体の動きが速いほど、異なる温度のゾーン間での熱エネルギーの移動が速くなります。これは大気の質量で継続的に発生します。浮力により、暖かくて密度の低いものが上昇し、冷たく密度の高いものが下降します。

図1.部屋は、熱風（赤い矢印）と密度の低い空気が上昇し、そこから脱出するため、ドアを開くと冷やされます。出典：ウィキメディア・コモンズ。Genieclimatique / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

この例は、画像の閉じた部屋です。ドアまたは窓が開くとすぐに冷やされます。これは、内部からの熱気が割れ目からも逃げて、外からの新鮮な空気に道を譲るためです。ダウン。

対流の種類

自然および強制対流

図2.強制対流と自然対流の例。出典：Cengel、Y。熱力学。

対流は自然または強制的です。最初のケースでは、部屋へのドアを開くときのように、流体はそれ自体で移動しますが、2番目のケースでは、たとえば、ファンまたはポンプによって強制されます。

拡散と移流

拡散と移流の2つのバリアントも存在します。拡散では、流体の分子が多かれ少なかれランダムに移動し、熱の伝達が遅くなります。

対照的に、移流はかなりの量の流体を移動させます。これは、たとえばファンで対流を強制することによって実現できます。しかし、移流の利点は、拡散よりもはるかに速いことです。

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対流熱伝達の単純な数学モデルは、冷却のニュートンの法則です。温度差が小さいように、冷たい空気に囲まれた領域Aの高温の表面を考えます。

伝熱Qと時間tと呼びます。熱伝達率は、dQ / dtであるか、時間に対する関数Q（t）から導出されます。

熱は熱エネルギーであるため、国際システムでの単位はジュール（J）です。したがって、転送レートはジュール/秒であり、これはワットまたはワット（W）です。

この比率は、高温の物体と媒体の間の温度差に直接比例し、ΔTで示され、物体の表面積Aにも比例します。

比例定数はhと呼ばれ、対流による熱伝達係数であり、実験的に決定されます。国際システム（SI）における単位はW / m ²です。Kですが、摂氏または摂氏で表すのが一般的です。

この係数は流体のプロパティではないことに注意してください。これは、表面のジオメトリ、流体の速度、その他の特性など、いくつかの変数に依存するためです。

上記のすべてを組み合わせると、数学的にニュートンの冷却の法則は次の形になります。

ニュートンの冷却法則の適用

20℃の部屋の真ん中に人が立っており、そこから微風が吹きます。人が対流によって環境に伝達する熱の速度はどれくらいですか？露出表面積が1.6 m ²で、皮膚の表面温度が29ºCであると想定します。

事実：この場合の対流熱伝達係数は6 W / m ²です。ºC

解決

そよ風が吹くと動いているので、周りの空気に熱を伝えることができます。転送速度dQ / dtを見つけるには、冷却のための値をニュートンの方程式に代入するだけです：

dQ / dt = 6 W / m ²。ºCx 1.6 m ² x（29ºC-20°C）= 86.4 W

対流の例

キャンプファイヤーで手を温める

熱源の周囲の空気が熱せられて膨張し、密度が低いため上昇するため、手をキャンプファイヤーやホットトースターに近づけて手を温めるのが一般的です。循環すると、この熱気があなたの手を包み込み、温めます。

図3.手を温める1つの方法は、火災によって空気中に発生する対流を利用することです。出典：Pxfuel。

海岸の気流

海岸では、海は陸よりも冷たいので、陸の上の空気は熱せられて上昇しますが、冷たい空気は、上昇するときに、冷たい空気が到着し、これによって残された空間に落ち着きます。

これが対流セルと呼ばれ、暑い日に海を見ながら涼しく感じ、そよ風が顔に吹く理由です。夜には反対のことが起こり、涼しい風が陸から来ます。

水循環

自然対流は、太陽の放射によって水が加熱されて蒸発する水循環を通じて、海洋海岸の空気中で発生します。このようにして形成された水蒸気は上昇、冷却、凝縮して雲になり、その質量は対流によって増加し上昇します。

水滴のサイズを大きくすることにより、温度に応じて水が雨、固体、液体のいずれかの形で沈殿する時期があります。

コンテナでお湯を沸かす

やかんまたは鍋に水を入れると、バーナーの炎または熱が最も近くなるため、一番下の層が最初に加熱されます。その後、水は膨張し、その密度は減少します。そのため、水は上昇し、より冷たい水が容器の底に移ります。

図4.対流による給湯。出典：wikimedia Commons。ユーザー：Oni Lukos / CC BY-SA（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）。

このようにして、すべての層が急速に循環し、水域全体が加熱されます。これは移流の良い例です。

風力発電

空気の塊の対流は、地球の回転運動とともに風を生み出し、冷たい空気が熱い空気の下を移動して循環し、対流と呼ばれるさまざまな流れを生み出します。

海流

水は、大気中の空気と同じように機能します。暖かい水はほとんど常に地表近くにあり、冷たい水はより深いです。

ダイナモ効果

それは、惑星内部の溶融コアで発生し、そこで地球の回転運動と結合して、地球の磁場を生じさせる電流を生成します。

星の内部のエネルギー伝達

太陽のような星はガスの巨大な球体です。気体分子は星の内部の領域間を移動するのに十分な自由があるので、対流はそこで効率的なエネルギー輸送メカニズムです。

対流の応用

エアコン

エアコンは部屋の天井の近くに配置されているので、冷えた空気はより密度が高く、下降してすぐに床の近くまで冷えます。

熱交換器

ある流体から別の流体への熱伝達を可能にする装置であり、たとえば、自動車のエンジンのエアコンや冷却機構の動作の原理です。

建物の断熱材

それらは絶縁材料のシートを組み合わせ、内部に気泡を追加することによって作られます。

冷却塔

冷却塔とも呼ばれ、原子力発電所、石油精製所、その他のさまざまな産業施設によって生成された熱を、地面や水ではなく、空気中に放出する役割を果たします。

参考文献

1. Giambattista、A。2010。物理学。2番目。Ed。McGraw Hill
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