熱伝達計算機

熱伝導、熱対流、熱放射による熱伝達率を計算します。材料の特性、表面積、厚さ、温度を入力すると、熱伝達率（ワット）、熱流束、熱抵抗、および時間経過による総エネルギーを算出します。熱伝導率、熱対流係数、放射率の値を内蔵したライブラリ、アニメーションによる熱流ダイアグラム、ステップバイステップの数式分解機能が含まれています。摂氏、華氏、ケルビンに対応しています。

熱伝達計算機

クイック例 — クリックしてフォームに入力し、「計算する」を押してください：

🧱熱伝導

💨熱対流

🔆熱放射

材料（熱伝導率 k）

厚さ (cm)

熱が通過する材料の厚さ。

流体の状態（対流熱伝達率 h）

表面（放射率 ε）

表面積 (m²)

時間（時間、任意）

総移動エネルギーを求めるために使用されます。

高温側の温度

低温側の温度

高温側と同じ単位を使用します。

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熱伝達計算機

熱伝達計算機は、熱伝導、熱対流、または熱放射によってシステム内を移動する熱の割合（熱伝達率）を求めるためのツールです。材料や表面の特性、面積、および高温側と低温側の温度を入力すると、ワット単位の熱伝達率、熱流束、熱抵抗、時間経過に伴う総移動エネルギーを計算し、熱流のアニメーション図やステップバイステップの数式解説とともに結果を返します。学生、エンジニア、建築業者、あるいは熱が移動する速度に興味があるすべての人のために設計されています。

熱伝達の3つのモード

熱は常に温度の高い領域から低い領域へと流れますが、その移動方法には3つの異なるモードがあります。この電卓では、それぞれの物理法則に基づいて計算を行います。

🧱 熱伝導

壁から逃げる熱やスープの中で温まる金属スプーンのように、固体内部を直接熱が伝わる現象です。フーリエの法則に支配されます。

💨 熱対流

CPUを冷却するファンや建物に吹き付ける風のように、空気や水などの移動する流体によって熱が持ち去られる現象です。ニュートンの冷却法則に支配されます。

🔆 熱放射

炎、太陽、または加熱されたラジエーターパネルの暖かさのように、媒介する物質を必要とせず赤外線波として放出される熱です。ステファン・ボルツマンの法則に支配されます。

熱伝達の計算式

熱伝導 — フーリエの法則

$$Q = \frac{k \cdot A \cdot \Delta T}{d}$$

熱対流 — ニュートンの冷却法則

$$Q = h \cdot A \cdot \Delta T$$

熱放射 — ステファン・ボルツマンの法則

$$Q = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot \left(T_h^4 - T_c^4\right)$$

各記号の説明:

$Q$ — 熱伝達率、単位はワット（W）
$k$ — 材料の熱伝導率、単位はW/m·K
$h$ — 対流熱伝達率、単位はW/m²·K
$\varepsilon$ — 表面の放射率（0から1、無次元）
$\sigma$ — ステファン・ボルツマン定数、$5.67\times10^{-8}$ W/m²·K⁴
$A$ — 表面積、単位はm²
$\Delta T$ — 両側の温度差
$d$ — 材料の厚さ、単位はメートル
$T_h, T_c$ — 高温側と低温側の絶対温度、単位はケルビン

代表的な熱伝導率の値（k）

材料	k (W/m·K)	特性
銅	401	極めて優れた熱伝導体
アルミニウム	237	極めて優れた熱伝導体
ステンレス鋼	16	中程度の熱伝導体
コンクリート	1.7	不良導体
ガラス	1.0	不良導体
レンガ	0.72	断熱性あり
木材（松）	0.12	優れた断熱材
グラスウール断熱材	0.040	極めて優れた断熱材
発泡ポリスチレン	0.033	極めて優れた断熱材

代表的な対流熱伝達率（h）と放射率（ε）

状態	h (W/m²·K)
空気 — 自然対流	5 – 25
空気 — 強制対流（ファン / 風）	25 – 250
水 — 自然対流	100 – 1,000
水 — 強制対流	500 – 10,000
沸騰 / 凝縮	2,500 – 100,000

放射率は、磨かれた金属の約 0.05 から、塗料、レンガ、水、皮膚、その他のマットな表面の 0.90～0.98 の範囲に及び、理想的な黒体では正確に 1.0 となります。

熱流束、熱抵抗、R値とは何ですか？

熱流束とは、単位面積あたりの熱伝達率（$Q/A$）のことで、単位はW/m²です。表面の大きさに関係なく、熱の流れがどれだけ集中しているかを示します。熱抵抗は熱の流れにくさ（単位はK/W）であり、抵抗が高いほど同じ温度差に対して移動する熱が少なくなります。建築材料においては、これがR値として表され、R値が高いほど断熱性能が優れていることを意味します。この電卓では、SI単位系のR値（RSI、単位はm²·K/W）と、断熱材のパッケージなどで使用される米国基準のR値の両方を表示します。

熱放射の計算に絶対温度を使用する理由

熱伝導と熱対流は温度の「差」のみに依存するため、セルシウス度で測ってもケルビンで測っても10度の差は同じです。しかし熱放射は異なり、絶対温度の4乗に比例するため、絶対零度（−273.15 °C）から始まるケルビンで計算する必要があります。この4乗比例の関係があるため、絶対温度が2倍になると放射される熱は16倍になり、炎や炉のような高温環境下では熱放射が支配的な移動モードになります。

この電卓の使い方

熱伝達モードを選択する: フォーム上部にあるタブを使って、熱伝導、熱対流、または熱放射を選択します。
材料と形状を入力する: 内蔵ライブラリから材料、条件、または表面を選択するか（「カスタム値」を選んで独自の数値を入力することも可能）、表面積を入力します。熱伝導の場合は厚さも入力します。
温度を入力する: 高温側と低温側の温度を入力し、°C、°F、またはKを選択します。必要に応じて、時間を時間単位で入力すると、移動した総エネルギーが表示されます。
計算するをクリックする: ワット単位の熱伝達率、熱流束、熱抵抗、時間経過に伴うエネルギー、熱流のアニメーション図、および詳細なステップバイステップの計算過程を確認します。

よくある質問

熱伝達の3つのモードとは何ですか？

熱の移動には3つの方法があります。熱伝導は、壁を通り抜ける熱のように、直接接触することによって固体材料を熱が流れる現象です。熱対流は、ファンが熱い表面を冷却するように、空気や水などの移動する流体によって熱が持ち去られる現象です。熱放射は、炎や太陽から感じる暖かさのように、赤外線電磁波として放出される熱であり、媒介する物質を一切必要としません。

熱伝導による熱伝達はどのように計算しますか？

熱伝導にはフーリエの法則を用います。Q = k × A × ΔT / d で表され、kは材料の熱伝導率（W/m・K）、Aは面積（平方メートル）、ΔTは温度差、dは厚さ（メートル）です。結果のQはワット単位の熱伝達率になります。

熱対流による熱伝達はどのように計算しますか？

熱対流にはニュートンの冷却法則を用います。Q = h × A × ΔT で表され、hは対流熱伝達率（W/m²・K）、Aは表面積、ΔTは表面温度と流体温度の差です。hの値が大きいほど、流体の動きが速く、熱をより素早く持ち去ることを意味します。

熱放射による熱伝達はどのように計算しますか？

熱放射にはステファン・ボルツマンの法則を用います。Q = ε × σ × A × (Th⁴ − Tc⁴) で表され、εは0から1の間の放射率、σは5.67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴（ステファン・ボルツマン定数）、Aは面積、ThとTcはケルビン単位の絶対温度です。温度が4乗されるため、物体が熱くなるほど放射は非常に急速に増大します。