試験に出ろ 管工事施工管理技士

学科編・1−3 一般基礎 (熱と伝熱)


 試験まであと3ヶ月…という段階からお勉強を始めたものの、ちょっとサボっているうちに、あっという間に試験まであと2週間となってしまいました。途中、3日間の講習会に参加したりもしたんですが、いなば君ピンチ、ひき肉はミンチ、私的制裁はリンチ! どこまで挽回できるか分かりませんが、というか、おそらくもう手遅れだと思いますが、講習会で配られた資料を元に、過去に出題されたことの多いポイントに的を絞って、最後の悪あがきをしてみようかと思います。

『 熱と伝熱 』

気体の状態式 : (P1・V1)/ T1=(P2・V2)/ T2

 ここでいうPは圧力、Vは体積、Tは絶対温度ではないか?…という気がするんですが、絶対温度というのはアレですよね。世の中でこれ以上クソ寒いところはないようね。…という温度を絶対0度としたものでありまして、 絶対0度=[-273]℃ というヤツですよね。どうしてそんな半端な数字なんや?…と思わずにはいられませんが、ま、そうなってしまった以上、この数字を覚えておかなければなりません。絶対フナ3(273)匹釣ってやるぅ!…という、強い決意で望みましょう。たいてい摂氏27℃みたいな計算しやすい数値で出題してくれるので、冷房温度は約300ケルビンと覚えておけば大丈夫でしょう。で、圧力と体積を掛けたヤツを絶対温度で割ってやると、一定になるんですね。子のカラダ割ってやるぅ、おんどりゃ〜!…と覚えておきましょう。

・ 等方性を有する物質では、体膨張係数線膨張係数の約倍である。
・ 物体は一般的に固体、液体、および気体の3つのがあり、相が変化することを相変化という。
・ 単一物質では相変化における温度、すなわち融解点凝固点沸点凝縮点とは同じである。このような相変化に用いられる熱を潜熱といい、温度変化を伴わない熱の授受である。
・ 物体に熱を加えると、内部エネルギーとして蓄えられるとともに物質は膨張して外部に仕事をし、加えられた熱量の一部でその物体の温度が上昇する。このように物体の温度を上昇させるために使われる熱を顕熱といい、熱力学では温度の上昇は物体を構成する分子の運動エネルギーの増加と考えている。
・ 純金属の温度を上げると電気抵抗は大きくなる。
・ 外部から熱の供給がない状態で気体が膨張するとき、これを断熱膨張という。反対に外部から熱の供給がない状態で気体が圧縮されるとき、これを断熱圧縮という。気体を断熱膨張させると気体の温度は下がり、反対に気体を断熱圧縮させると気体の温度は上がる

 えーと、まず最初の等方性という言葉はあまり深く考えないことにして、固体や液体を加熱するとですね、体積が膨張します。海綿体というのは固体なんだか液体なんだか微妙な状態ではあるんですが、これもやはり熱く燃えてくると膨張しますよね。ちっとも膨張しないぢゃないか!…という状態になってしまった場合はカウンセリングや薬物の投与が必要になってくるんですが、大丈夫であれば体積がかなり膨張する筈です。それに比べて、長さというのはあまり変化がないような気がしますよね。体膨張係数線膨張係数約3倍というのはそういうことなんだろうと思いますが、三杯酢を飲んで体積を膨張。…って、いや、酢と醤油と砂糖をまぜたくらいのもので、さほどの膨張が気体出来るとも思えんのですけど。

 で、のところは、あ、そうなのかぁ。…くらいに見ておいて、ここでのポイントは顕熱潜熱でありますな。熱を加えられた物体の温度が上がるのが顕熱、温度が上がらないのが潜熱ということでいいと思いますが、微鏡プレイは熱くなれるんだけど、望鏡プレイはどうも燃えない。…みたいな。いや、潜望鏡はともかく、顕微鏡などというプレイは聞いたことがないんですけどね。それに潜望鏡って、けっこう燃えるよね?…という気もするんですが、そこはただの語呂合わせですんで、あまり深く追求しないことにして。

 で、金属の温度と電気抵抗の関係はですね、これはもう、愛知万博にあった “超電動リニア館” の発想ですよね。温度が絶対0度になれば電気抵抗が0になっちゃうという。だから反対に温度が高くなれば抵抗も高くなるような気がして、いや、それとこれとはまた話が違うのかも知れませんが、とにかくまあ自分で納得出来ればそれでいいのではなかろうかと。で、気体の断熱圧縮・断熱膨張でありますが、これもまあ常識的に納得のいく話ですよね。圧縮すると熱くなります。高まる期待合宿の夜に熱くなる。…って、いやまったく、いったい何を期待しているのでありましょうか?

・ 熱とは温度の相違だけの作用で、物体から他の物体へ移るエネルギーの総称である。このエネルギーの移動が行われる現象が伝熱現象である。
・ 伝熱には熱放射熱伝達熱伝導の3種類がある。
放射は物体が電磁波の形で熱エネルギーを放出したり吸収したりする現象で、その伝達には媒体の存在を必要としない。その波長は 0.8〜400μmで、一般に赤外線と呼ばれている。
・ ある物体から放出される放射の強さはその物体の温度と表面の性質によって決まり、放射のエネルギーは物体の温度の4乗に比例する。

 琵琶法師やエンタツ、笑いの殿堂入り。…って、いや別に琵琶法師というのはおもろいキャラではないと思うんですけど。で、琵琶法師、エネルギー余剰で、ヒレ酒ガバガバ。…って、いや、とんでもない生臭坊主でありますなぁ。

熱対流 : 流体内のある部分が温められると膨張により密度を減じて上昇し、周囲の低温の流体がこれに変わって流入する現象で、流体温度の異なる部分の上昇流と下降流とが相対して流れあい、エネルギーの貯えられている物質が1つの場所から他の場所へ移動および混合運動をすることによって行われる熱移動現象である。
・ このように浮力による場合を自然対流といい、流体が外力により強制的に動かされる流動で流速が大きく自然対流を無視できる場合は強制対流と呼んでいる。

 あ、これは風呂でありますな。最近はどこの家庭でも給湯器を利用しているからこういうこともなくなりましたが、昔、僕のウチでは薪を燃やして風呂を沸かしていましたからね。結果、熱い湯は上のほうに上がって、底のほうはずっと冷たい水のままで、よく掻き混ぜずに入ろうとすると、上のほうは、熱いやんけ!…で、火傷をして、下のほうは水のままで、冷たいやんけ!…で、風邪をひいたりして、もう踏んだり蹴ったりでありました。ま、そのまま5時間ほど放置すれば自然対流でそれなりに温度の平衡化がはかれるんでしょうが、急いでいる場合は湯かき棒と呼ばれるハイテク機器を使って強制対流を起こさせたものでございます。ああ、古きよきニッポン。

熱伝達 : 固体壁とこれに接する流体間の伝熱は対流ばかりでなく、放射および伝導を伴う複雑な熱移動現象であり、これらの伝熱過程を一括して熱伝達という。
・ 熱伝達率は固体表面の形状・寸法・水平との傾き・流体の特性や状態によって変わるものであり、伝導・対流および放射のすべての影響を包括したものである。
・ 熱伝達率は流体の速度が速いほど大きくなるので、熱の移動量も大きくなる。

 テキストには何やら難しい数式が載っておりますが、出題されないものと判断して、無視しましょう。もし出題された場合は、運が悪かったね。…ということで諦めるしかありません。で、熱伝達率と流体の速度の関係ですが、これもまあ常識的に考えて納得のいく結果なのではなかろうかと。熱い寿司飯を扇風機で冷ます時、風量が弱の場合よりも強の場合のほうが早く冷めるような気がしますもんね。あまり急速に冷ますと寿司飯がパサパサになっちゃうので、うちわを使ったほうがいいんじゃないか?…という意見もあるでしょうが、これはあくまでも熱力学のお勉強であって、料理教室ではないので細かいことはどうでもいいわけでありまして。

熱伝導 : 物質の移動なしに、異なる温度の物体が隣接する場合において、高温の分子から低温の分子に熱エネルギーが伝わるときの熱移動現象である。流体内でも対流に伴って伝導も行われるが、工学的には熱伝導は固体および粉体内のみに起こると考えてよい。
熱通過熱貫流) : 固体壁の両側の流体温度が異なるとき、熱は高温側から低温側に向かって流れ、伝達→伝導→伝達の過程を経て2流体間の伝熱が行われる。この全過程における伝熱を総称して熱通過または熱貫流という。熱通過による熱の移動量は両側の流体温度差、面積、時間に 比例 する。熱通過率は壁の両面における熱伝達率とと壁構成部材の各々の厚さと熱伝導率によって決まり、単純に壁の厚さだけでは決まらない

 いろいろな言葉が出てきて頭が混乱しますが、要は流体は“熱対流”、固体壁とそれに接する流体間は“熱伝達”、固体は“熱伝導”で、固体壁の両側で流体温度が異なるときは“熱通過”ということでいいのではなかろうかと。老体タイ料理が嫌い。(←辛いから。) エンタツ老体だから交代。(←お笑い界の世代交代。) 殿堂入りは固い。(←功績抜群。) 通過する。(←壁を通過する。)…って、最後のはそのまんまでありましたが、とにかくまあ、そういうことで。

圧縮式冷凍機の冷凍サイクルとモリエ線図♪

比エンタルピー : 単位質量の冷媒の持つ内部エネルギーと仕事を熱に換算した量の和として定義されているが、これは冷媒がその状態において有する全熱量と考えてよい。
・ 縦軸に絶対圧力、横軸に比エンタルピーをとった図をモリエ線図といい、冷媒の特性を分析する場合等に用いられる。
・ 左図の圧縮式冷凍機の冷凍サイクルにおいて、
  D→A蒸発(等圧変化)
  A→B圧縮(等エントロピー変化)
  B→C凝縮(等圧変化)
  C→D膨張(等エントロピー変化)
となる。

 エンタルピーエントロピーという紛らわしい言葉が出てきて混乱必至でありますが、エントロピーのほうは説明を読んでもまったく理解不能だったので、深く考えるのはヤメにして。 で、圧縮式冷凍機でありますな。家庭用の冷蔵庫にはコンプレッサーがあって何だか圧縮しているよね。…という気がするので、おそらく原理はこの図のようなものではないかと思うんですが、冷媒としはフロンなんかを使っていたんですよね。で、この図が意味するものはですね、よく分かりません。ま、冷媒が蒸発する時に気化熱で周囲の熱を奪って、冷媒自体はエネルギーが高くなって比エンタルピーが増加するんだよね。…ということは何となく分かるんですけどね。で、それを圧縮してやると圧力が増加して、そいつを冷やしてやると凝縮して、膨張させてやると圧力が元に戻るのではなかろうかと。問題は冷媒をどうやって冷やして凝縮するかなんですが、そういう難しい問題はですね、僕にはわかりません。

蒸発器の蒸発温度が高ければ冷却効果はとなり、圧縮仕事はとなる。蒸発温度が低くなれば冷凍効果は減少し、圧縮仕事はとなる。また凝縮器の凝縮温度が低ければ冷凍効果はであり、圧縮仕事はである。凝縮温度が高くなれば冷凍効果は減少し、圧縮仕事はとなる。蒸発温度を高く、凝縮温度を低くすれば、冷凍効果は増大し、圧縮仕事は減少する。
・ 冷凍サイクルの成績係数は冷凍効果圧縮仕事で除したものである。

 ま、これも常識的に納得のいく話ですよね。蒸発温度と凝縮温度の差が大きいほど冷凍効果は増大して、その分、圧縮仕事は減少すると。熱で頑張ればその分は圧縮のほうが楽を出来て、熱がサボればそのツケが圧縮のほうに回ってきちゃうという。世の中、よく出来たものでありますな。 で、冷凍効果(hA−hD)を圧縮仕事(hB−hA)で割ったものが冷凍サイクルの成績係数なんだそうでありまして、よく冷えるほど成績がよくて、あまり圧縮しなくても冷えるほど成績がいいという。いや、このところボケも語呂合わせもありませんが、ま、それだけ僕も疲れているということで。

吸収冷凍機では一般に冷媒である 水 を蒸発させて冷凍作用が行われる。蒸発した水蒸気を吸収するための吸収液としては臭化リチウムが用いられる。
アンモニアは毒性や可燃性はあるが、蒸発潜熱が大きく熱伝導率も高いなど熱力学的に優れた特性を有している冷媒である。

 えーと、これはよく出される引っかけ問題でありますな。つっかけ(←サンダルの別称)というのは脱ぎ履きが簡単な分、よく段差などに引っかけて転倒することがあるので注意しなければなりませんが、そんなつっかけのような引っかけ問題に引っかかってはいけません。どこが引っかけなのかというと、臭化リチウムというのはあくまでも吸収剤であって、冷媒ではない。…ということなんですが、一方のアンモニア冷媒として用いられていて、どちらも何だか臭そうなイメージがあるものなんだから、ごっちゃになっちゃうんですよね。九州霊媒子の供養。臭い立地九州だい。…って、何だかよくわかりませんが、ああん、もう、霊媒ってばぁ♪…って、いや、霊媒師と何をしているんだか。。。

ブラインとは0℃以下でも凍らないように水に塩化カルシウムエチレングリコールを混入したもので、氷蓄熱方式などに用いられる。
1日本冷凍トンとは、0℃の水1トンを1日で0℃の氷にするために必要な冷凍能力をいう。

 何だかこう、冷凍本マグロのような単語が出てまいりましたが、 “いちにち・ほんれいとうとん” なんですかね?冷凍トンというのが語呂が悪くて覚えにくいので、こいつは無視しましょう。で、ブラインのほうは、ま、エンジンとかに使う不凍液のようなものんでしょうか? 彼女のブラ、淫靡で不当にコーフンしちゃう。…って、いや、何が不当なんだか今ひとつよくわからんのですけど。

・ 燃料が燃焼した際に生じるガスを燃焼ガスといい、燃焼ガスが目的に従って熱を利用された後に排出されるとき、排気または排ガスという。
・ 燃焼ガスは炭酸ガス水蒸気窒素酸素および亜硫酸ガスからなり、それぞれの含有割合は燃料の種類および過剰空気量によって異なる。燃焼が不完全であると、前記の他に一酸化炭素などを含む可能性が高い。
・ 燃焼は酸化反応であり、燃料と酸素が共存しても、両者の接触がなければ反応はおこらない。したがって、限られた燃焼室内で燃料と酸素の接触をよくするためには、酸素の濃度を増すこと、すなわち空気量を増やすことが必要である。実際の燃焼過程では理論空気量による完全燃焼はほとんど不可能で。一般には理論空気量より多くの空気を必要とする。この理論空気量より多い空気は過剰空気と呼ばれ、その必要量は燃料の種類、燃焼方式などにより異なる。一般に液体燃料では空気と接触するのは燃料の表面のみであるから過剰空気を 多く 必要とし、気体燃料では空気との混合が行われやすいから、液体燃料よりは少ない余剰空気量で完全燃焼する。
・ 一定量の可燃物を完全燃焼して生じる燃焼ガスが、燃焼の初温度まで冷却する間に外部へ出す熱量を、その可燃物の発熱量という。この際、燃焼ガス中に蒸気を含むならば、その蒸気の復水にともない蒸気分圧のもとにおける潜熱をはき出すことになる。この熱量は当然、発熱量のうちに加算すべきであるが、熱機関ではこれを利用することは出来ないので、はじめから除外することが多い。前者の発熱量を高発熱量といい、後者のそれを低発熱量という。

 いちばん上のヤツはアレですよね。練炭心中です。練炭なんてものは地味にしか燃えないのでどうしても不完全燃焼しちゃって、一酸化炭素がたくさん出ちゃうという。燃えきれず遺産がたんとは入ってこず。自分の家に火を付けて姑を焼死させ、火災保険と生命保険を遺産のアテにしようとした鬼嫁の目論見も、ボヤではねぇ。…といったところでしょうか。 で、続いては過剰空気課長、食う気は満々なれど、期待小さい。…って、安い費用の宴会では課長が思うほどたくさんの料理は出ません。 で、最後。明日のジョー、来たが千年なく低発熱。さしものジョーも千年灸がなくてはあまり熱くは燃えられません。

 とまあそういうことで、今日のところはおしまい。

( つづく♪ )

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