熱伝導率λ・熱伝達率h・熱通過率Kの違い
意味
熱伝導率λ、熱伝達率h、熱通過率Kは、全て熱の伝わりやすさに関係しますが、対象と単位が異なります。λは材料内部の熱伝導を表す物性値で、単位はW/(m K)です。フーリエの法則で温度勾配と熱流束を結び付けます。材料や温度に依存し、向きによって違う場合もあります。hは固体表面と流体本流の温度差に対する熱流束の係数で、単位はW/(m² K)です。流体の種類、流速、自然対流か強制対流か、表面の形状などによって変化します。したがって、「鋼だからhはこの値」と材質だけで決めることはできません。Kは、片側の流体から壁を通ってもう片側の流体へ伝わる経路全体を表す係数で、hと同じ単位ですが、両側の熱伝達と壁の伝導抵抗などを含みます。λの式には温度勾配、hの式には本流と表面の温度差、Kの式には両流体の本流温度差が入る点を整理すると、取り違えを防げます。金属の熱伝導には自由電子が大きく寄与するため、多くの金属は熱も電気も伝えやすい傾向があります。ただし、両者の比例を全材料・全温度へ無条件に適用することはできません。多孔質の保温材は、気体を含む構造によって有効熱伝導率を小さくしますが、対流や放射、含水率などの影響も受けます。熱伝導率が小さいことと、表面の熱伝達率が小さいことは別です。例えば薄い金属板でも、空気側のhが小さければ放熱が制限されます。問題を解くときは、まず伝熱の区間が材料内部なのか表面なのか全経路なのかを確認し、係数の単位と組み合わせる温度差を選びます。
具体例
①厚さ0.01 m、$\lambda=10\,\mathrm{W/(m\,K)}$ の平板の面積あたり伝導抵抗は $L/\lambda=0.001\,\mathrm{m^2\,K/W}$。②空気側の $h=10\,\mathrm{W/(m^2\,K)}$ なら、熱伝達抵抗は $1/h=0.10\,\mathrm{m^2\,K/W}$ で、壁の100倍です。③hとλの数字がどちらも10でも、単位と対象が違うので「伝わりやすさが同じ」とは判断できません。④熱流量Qを求める場合は面積を掛け、熱流束qと混同しないようにします。
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