概要:
「熱」とは物質を構成する分子の運動に起因するが、熱が伝播しなければ我々人類は元より、地球上の全ての生き物は生命を維持することはできないと言える。太陽からの輻射伝熱が地表を温め、人類の活動を可能にしている。また、その活動を維持するために必要な食料は冷蔵庫で冷やされ、多くの場合ガスや電気で加熱処理してから食する。部屋が暑ければ冷房し、寒ければ暖房するが、これらは全て熱が伝わって始めて可能となる。一方、エンジンやボイラーは産業活動には欠かせない存在だが、小型・軽量化するためには熱を効率よく伝えることが必要であり、そのために伝熱工学という学問が発展し、今日では非常に多くの分野に適用されている。本講義は15講という短期間で、しかも初歩者が対象ということなので、基礎的な項目に主眼をおいてわかりやすく講義することに努める。ただし、学生各位が卒業後に社会に出て、あるいは上級校に進学してから熱の問題に直面したときに、苦労なく取り組めるレベルの知識と能力は備わることを目標として進める。
授業の進め方・方法:
主として講義を行い、演習を併用する。
・伝熱工学の物理量と熱の移動形式
・フーリエ理論と定常伝熱方程式
・平板、円管、球殻における熱伝導
・温度場と非定常伝熱方程式
・非定常伝熱方程式の解法
・熱伝導と熱伝達が複合する場合の熱通過の解析
・熱交換器による熱の移動形式
・熱交換器における伝熱計算と設計諸元
・対流熱伝達における無次元数を用いた実験式
・放射伝熱の基本法則
注意点:
前回のレビューと当日講義内容の演習により、十分理解が得られるよう取計らうが、伝熱方程式の導出・解法では微分方程式の基礎知識が必要なので復習しておくこと。不明な点は随時積極的に質問するように。
|
|
週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
ガイダンス、伝熱工学で用いる物理量と単位、伝熱の３形式と具体的な伝熱機構 |
伝熱の３形式、伝熱工学の物理量と単位を説明できる。
|
| 2週 |
熱流束、温度場、フーリエの法則、および各種物質の熱伝導率と熱伝達率の関連性 |
伝熱の基礎式とそれに使われている物理量を説明できる。
|
| 3週 |
単層、多層構造の平板、円筒、および球殻の伝熱解析(1) |
フーリエの法則を用いた伝熱計算ができる。
|
| 4週 |
単層、多層構造の平板、円筒、および球殻の伝熱解析(2) |
フーリエの法則を用いた伝熱計算ができる。
|
| 5週 |
非定常伝熱方程式（フーリエの微分方程式）の導出 |
非定常熱伝導の基礎式であるフーリエの微分方程式の導出方法を説明できる。
|
| 6週 |
フーリエの微粉方程式の差分法による近似数値解法 |
一次元のフーリエの微粉方程式の数値解法を説明できる。
|
| 7週 |
熱通過（単層および多層の平面板） |
熱通過の意味を理解し、式の導出方法を説明できる。
|
| 8週 |
中間試験 |
|
| 2ndQ |
| 9週 |
熱通過（単層および多層の円筒管） |
熱通過の意味を理解し、式の導出方法を説明できる。
|
| 10週 |
熱交換器の実際例と並流を対象とした伝熱計算 |
隔板式熱交換器の伝熱計算方法を説明できる。
|
| 11週 |
熱交換器の実際例と向流を対象とした伝熱計算 |
並流と向流の伝熱量の違いを説明できる。
|
| 12週 |
ひれ(フィン)を有する場合の熱放散量の計算方法 |
フィンを有する板からの放熱量の計算方法を説明できる。
|
| 13週 |
対流熱伝達の基礎（速度境界層と温度境界層、無次元数の取り扱い方法） |
|
| 14週 |
対流熱伝達に関する実験式の取り扱い方法 |
各種実験式を用いた熱伝達率の導出方法や移動熱量の計算方法を説明できる。
|
| 15週 |
放射伝熱の基礎 |
プランクの法則、ステファン-ボルツマンの法則、ランバートの法則を説明できる。
|
| 16週 |
定期試験 |
|
| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 基礎的能力 | 工学基礎 | 工学実験技術(各種測定方法、データ処理、考察方法) | 工学実験技術(各種測定方法、データ処理、考察方法) | 物理、化学、情報、工学における基礎的な原理や現象を明らかにするための実験手法、実験手順について説明できる。 | 2 | |
| 実験装置や測定器の操作、及び実験器具・試薬・材料の正しい取扱を身に付け、安全に実験できる。 | 2 | |
| 実験データの分析、誤差解析、有効桁数の評価、整理の仕方、考察の論理性に配慮して実践できる。 | 2 | |
| 実験テーマの目的に沿って実験・測定結果の妥当性など実験データについて論理的な考察ができる。 | 2 | |
| 実験ノートや実験レポートの記載方法に沿ってレポート作成を実践できる。 | 2 | |
| 実験データを適切なグラフや図、表など用いて表現できる。 | 2 | |
| 実験の考察などに必要な文献、参考資料などを収集できる。 | 2 | |
| 実験・実習を安全性や禁止事項など配慮して実践できる。 | 2 | |
| 個人・複数名での実験・実習であっても役割を意識して主体的に取り組むことができる。 | 2 | |
| 共同実験における基本的ルールを把握し、実践できる。 | 2 | |
| レポートを期限内に提出できるように計画を立て、それを実践できる。 | 2 | |
| 専門的能力 | 分野別の工学実験・実習能力 | 機械系分野【実験・実習能力】 | 機械系【実験実習】 | 実験・実習の目標と心構えを理解し、実践できる。 | 2 | |
| 災害防止と安全確保のためにすべきことを理解し、実践できる。 | 2 | |
| レポートの作成の仕方を理解し、実践できる。 | 2 | |
| 加工学実験、機械力学実験、材料学実験、材料力学実験、熱力学実験、流体力学実験、制御工学実験などを行い、実験の準備、実験装置の操作、実験結果の整理と考察ができる。 | 2 | |
| 実験の内容をレポートにまとめることができ、口頭でも説明できる。 | 2 | |