熱伝導の概念について、いくつかの概要を説明します。 To learn more, the reader is encouraged to review the source publications and cited websites
熱力学について
熱力学の第1および第2法則
熱力学の第1法則は、エネルギーの保存に関するものです。法則は、他のエネルギー物質が出入りできない閉鎖系内では、エネルギーは生成も破壊もされないと述べています。1、2エネルギーを生成または破壊することはできませんが、他の形態のエネルギーとして機能するように変換することができます。
熱力学の第2法則の主題は、熱エネルギーの移動です。3 第2法則(閉鎖系にも適用される)は、自発的なプロセスの場合、エントロピー4(すなわち、システム5に存在する障害の尺度)の増大があると説明されています。
第2法則を説明するための3つの代替的ではあるが同等の方法は次のとおりです。
熱は熱いものから冷たいものへと自然に移動します。(例：高温のマイクロプロセッサまたはレーザダイオードは、ヒートシンクやコールドプレートへの熱の移動によって冷却されます）。
熱を完全に有用な仕事に変換することは不可能です。(例：内燃機関では、特定の熱成分は、動作を行わずに常に排気される必要があります）。
すべての孤立したシステムは、時間とともに無秩序になります。 (（例：高温と低温の物体が最初に接触したときの伝導では、システムにはある程度秩序があります。高温の分子は、低温の分子よりも速く移動します。しかし、システム全体が均一な温度に達すると、この順序は失われます）。
数学的に表現すると、上記の記述のいずれかが他の2つを意味します。6
熱力学の第1法則と第2法則は、熱伝導、対流、放射というさまざまな熱伝達の方法に適用されます。
熱伝導の方法
伝導
伝導では、熱は高温部分から低温部分へと移動します。これは、固体、液体、または気体媒体内、または物理的に直接接触する異なる媒体間で発生します。7「隣接する分子間の運動エネルギーの移動は、熱を伝導します。気体では、「より熱い」分子は、より大きなエネルギーと運動を持ち、より低いエネルギーレベルで隣接する分子にエネルギーを与えます。このタイプの移動は、温度勾配が存在するすべての固体、気体、または液体においてある程度発生します。伝導では、エネルギーは金属固体で重要な「自由」電子によっても移動できます。」8伝導の例は、コールドプレートの表面または冷蔵庫の壁の熱伝導です。
対流
In convection, the combined action of heat conduction, energy storage, and mixing motion serve to transport energy. "Convection is most important as the mechanism of energy transfer between a solid surface and a liquid or a gas."9 “In forced-convection heat transfer, a pump, fan, or other mechanism forces a fluid to flow past a solid surface. 自然対流または自由対流では、固体表面の隣にある暖かい液体や冷たい液体が、液体の温度差に起因する密度差のために循環を引き起こします。」10自由対流の例は、熱交換器のフィンを介した周囲空気への熱の損失です。ファンを使用して熱交換器のフィン上で空気を循環させる場合、これは強制対流の例になります。
放射
放射では、真空中であっても、物体が空間内で分離されると、高温の物体から低温の物体に熱が移動します。11「光の伝達に使われる法則が、熱の伝達にも適用されます。固体や液体は、それらを介して伝達される放射熱を吸収する傾向があるため、放射は主に空間または気体を介した移動において重要です。」12
放射の例には、太陽から地球への熱の移動、および石英ランプから熱を必要とする冷たい物体への熱伝導などがあります。
熱伝導の数学的表現と計算
フーリエの方程式
フランスの科学者、J.B.J.フーリエが1822年に提唱した伝導による熱伝達の基本的な関係は以下のとおりです。
材料qkの伝導による熱流の速度は、次の3つの量の積に等しくなります。
- k - 材料の熱伝導率
- A - 熱伝導により熱が移動する方向に対して垂直に測定された部分の面積
- dT/dx - 断面の温度勾配、すなわち熱流xの方向の差に対する温度Tの変化率
熱伝導方程式を数学形式で書くには、符号規則が必要です。すなわち、距離xが増加する方向は正の熱流の方向となります。熱力学の第2法則によれば、熱は高温の点から低温の点に自動的に流れます。したがって、温度勾配が負の場合、熱流は正になります。定常状態での1次元熱伝導の基本方程式は、qk = -kA(dT / dx)です。」13
熱伝導率
熱伝導率は、特定の材料が熱伝導する速度の測定値です。14}「物質の熱伝導率は、厚さ1 cm、断面1平方センチメートルの物体の両面の温度差が1℃のときに、物体を通過するcal/秒単位の熱量です。」 15 この固有の特性は、材料のサイズ、形状、または方向とは無関係です。
熱抵抗
熱抵抗は熱伝導の逆であり、材料が熱伝導をどのように阻害するかを示します。16 熱伝導率の高い材料は、熱抵抗が低く、断熱性に劣ります（銅やアルミニウムなど）。逆に、熱伝導率の低い材料は熱抵抗が高く、断熱性に優れています（ファイバーグラス製の断熱材やコルクボードなど)。17
参照文献
1. https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch121/ch5_law.html.
2. https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html.
3. 同上.
4. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
5. Microsoft Encarta World English Dictionary, St. Martin’s Press, 1999, Pp 596.
6. de Sorgo, Miksa, 同上.
7. de Sorgo, Miksa, “Understanding Phase Change Materials”, ElectronicsCooling Magazine, May. 2002
8. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
9. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Chapter 1, Pp 6.
10. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 215.
11. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Page 8.
12. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.
13. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Pp 7.
14. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.
15. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Pp 9.
16. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.
17. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.
18. http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html.
19. http://www.xrefer.com/entry/619844.
