授業科目

工業熱力学
Engineering Thermodynamics 

担当者

教授   原村 嘉彦
前 火2

単位

2

到達目標

 本講義は、機械工学科のカリキュラム・ポリシーに従って、エネルギ変換と伝熱を中心に、解析力を養う科目として開講している。
 本講義の到達目標は、境界を通して質量が出入りする系(開いた系)における定常状態のエネルギ保存の式を理解し、それを条件式として表すこと、ノズル内の気体の流れでは、等エントロピ流れであることを利用して速度や状態量を計算できること、実在気体では、熱または工業仕事の出入りによる状態量の変化またはその逆を計算できること、伝熱学の分野では、断熱や伝熱促進に関する熱伝導の初歩的な計算ができること、放射伝熱・熱伝導の基本的な知識を得ることである。また、等高線を使った2変数関数の関数グラフ(4章のh-s線図、5章の形態係数の線図、6章のフィン効率の線図)から読み取る能力も身につける。
 前半の熱力学に分野は,工業熱力学 I の理解を前提に説明します。特に、理想気体の断熱変化、内部エネルギの概念(理想気体に対するもので十分)について、授業の際に配布した演習問題が解けるように,受講前に復習しておいてください。それ以外は特に予習を必要としないが、工業熱力学 I の第1節(熱量の測定、仕事の計算・測定),高校物理や中学理科の熱関連の事項は前提として授業を行うので、これらの理解に自信のない者は確認しておくこと。

授業内容

 熱力学は単に熱現象のみならず材料や物質など一般物理現象の理解にとって重要な基礎分野である。本講義では、前半で熱力学の応用、後半で伝熱学の基礎を扱う。
 前半部では、工業熱力学 Ⅰ で学んだ基礎知識をもとに、開いた系に対するエネルギ保存の式、ノズル内の気体の流れ、水蒸気など理想気体としての扱いはできないが実用的には極めて重要な実在気体の扱い、蒸気原動所のサイクルなどへの応用について解説する。
 後半部では、不均一温度場における熱の移動現象として、熱放射、熱伝導、対流伝熱などの伝熱学の基礎について解説する。

授業計画

第一部 工業熱力学
1.シラバスの記載事項についての確認,熱力学の基礎(第1回)
 1.0 要点復習、1.1 開いた系に対するエネルギ保存の式、1.2 ブレートンサイクル
 開いた系に対するエネルギ保存の式は、熱力学の部分の大半で使用する基礎式であり、エンタルピを使って表現される。ブレートンサイクルは,ガスタービンの基本サイクルである。
2.音速(第2回)
 2.1 音と直角衝撃波の伝播速度 2.2 衝撃波伝播における不可性
3.ノズル内の気体の流れ
 3.1 基礎式、3.2 先細ノズル、3.2 臨界流、(以上第3回)小テストと解説、3.4 先細末広ノズル(以上第4回)
 ノズル内の気体の流れでは、断熱で損失がない理想気体の流れに限定して、タービンの動翼やジェットエンジン・ロケットエンジンで推力を得るために必要な超音速流を得るには工夫が必要であること、それをどのようなノズルを利用して得ているかについて学ぶ.
4.実在気体(水蒸気および湿り空気)
 4.1 水の状態変化、4.2 飽和蒸気表、(以上第5回)4.3 h-s線図、4.4 ランキンサイクル・再生サイクル・再熱サイクル(以上第6回)、小テストと解説、4.5 湿り空気(以上第7回)
 飽和蒸気表を使うと、ある圧力で水と水蒸気が共存する温度を知ることができ、また、水と水蒸気が共存する状態で出入りする熱量と体積変化または水蒸気として存在している質量割合の関係を教えてくれる。h-s線図(エンタルピ・エントロピ線図)は、蒸気タービンで取り出す仕事、タービン出口の状態の算出するのに利用する重要な線図である。またh-s線図は、等高線を使って2変数関数を表現する関数グラフの一例であり、このような線図を利用できる技術も学ぶ。湿り空気では、除湿をするのに必要な温度と熱量の計算(飽和蒸気表と湿り空気のエンタルピの式を利用)について学ぶ。
第二部 伝熱学
5.熱放射
 5.0 伝熱の3形態、5.1 黒体放射、5.2 放射率(以上第8回)、5.3 対向無限平板間の放射伝熱、5.4 形態係数の定義(以上第9回)、小テストと解説、5.5 形態係数の応用(以上第10回)
 熱放射は、黒体放射が基礎であり、放射光に波長に対する分布がある。また、波長全体として熱力学温度の4乗に比例するエネルギの放射が起こる。これらの法則を前提として、次に、放射伝熱の基礎である向かい合った平板の間の放射伝熱量の解析方法(これを応用すると放射による放熱を大幅に減らす断熱方法を設計できる)について学ぶ。最後に、有限な大きさの黒体面の間の放射伝熱で導入される形態係数について学ぶ。
6.熱伝導
 6.1 フーリエの法則と熱伝導方程式、6.2 1次元定常熱伝導方程式とその解、6.3 複合材料の熱伝導(以上第11回)、6.4 軸対称温度場をなす熱伝導(第12回)、6.5 フィン、小テストと解説(以上第13回)
 基本法則であるフーリエの法則を応用した、直交座標・円筒座標による定常熱伝導の方程式(授業では1次元問題に限る)とその解について、先ず学ぶ。ここでは、どのような境界条件を課すと問題が特定されるか,一般解はどのような式で表されるか,一般解に含まれる積分定数をどのように決定して解を得るかについて学ぶ。次に、異なる材料が重なっている媒体における伝熱量の計算方法を学ぶ。材料が熱の流れ方向に重なっている場合の手法は、断熱材を利用する断熱の設計方法に応用できる。最後に、伝熱促進で広く利用されるフィン(熱伝導が良いアルミニウムなどで空気などの流体と接する表面積を増やして伝熱を促進する要素)の設計方法を学ぶ。具体的な内容としては、一様断面フィンに対する温度分布・伝熱量の解析解,断面が高さの関数になる場合に利用できるフィン効率線図の利用方法について学ぶ.
7.熱伝達と相関式(第14回)
 7.1 次元解析、7.2 熱伝達の相関式の例
 熱伝達は、実験結果を整理した相関式で表現するが、多くの相関式は無次元量の関係を表すものである。現象を支配する無次元量を導く次元解析を学び、代表的な熱伝達相関式を利用して、熱伝達率を計算する方法を体験する。

授業運営

 講義を主体として授業を進め、各回通常1問、例題を解説して計算の道筋を紹介する。
 演習問題(全体で約100問程度)を配布するので、授業後に各自で演習し、内容の十分な理解が得られるようにすること。授業で行う例題解説は、いくつかの変数のうち1つ以外を与えて、残りの1つの変数を法則などの条件を使って求める形をとっているが、例題で与えていた量を求める類題が演習問題にあるので、法則などの条件が変数とどのような関わりを持っているのかを意識できるように、演習を進めることが望まれる。

評価方法

 4回の小テスト(40%)と期末試験(60%)による評価と期末試験のみによる評価のうち高い方により評価する。期末試験は、参照不可・電卓の持込可で行う。覚えておくべき式は授業内で指示するので、小テストも含めて必ずそれを覚えて試験に臨むこと。

オフィスアワー

月曜日4限,水曜日6限,23-509室にて.

使用書

 特に指定しない。必要に応じプリントを配布する。

参考書

 日本機械学会出版編集委員会『熱力学』第2版[日本機械学会(機械学会テキストシリーズ)]2005
 斎藤孝基『応用熱力学』初版[東京大学出版会(東京大学基礎工学双書)]1987
 庄司正弘『伝熱工学』第7版(2005)版(東京大学出版会)1995

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