壁面に垂直な方向の温度こう配が一定なので、壁内を流れる熱流束はフーリエの法則 q = λ × ΔT / Δx で求められる。
令和7年度 下期 第三種電気主任技術者 機械 問12
電気炉の壁の外面に垂直に小穴をあけ,温度計を挿入して壁の外面から10 cmと30 cmの箇所で壁の内部温度を測定したところ,それぞれ72 ℃と142 ℃の値が得られた。炉壁の熱伝導率を0.94 W/(m·K)とすれば,この炉壁からの単位面積当たりの熱損失[W/m²]の値として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
ただし,壁面に垂直な方向の温度こう配は一定とする。
選択肢
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
詳細Layer 2展開閉じる
・2つの測定点の間の距離: Δx = 30 cm − 10 cm = 20 cm = 0.20 m
・2つの測定点の温度差: ΔT = 142 ℃ − 72 ℃ = 70 K(温度差は ℃ と K で同じ値)
・温度こう配: ΔT / Δx = 70 / 0.20 = 350 K/m
補足Layer 3展開閉じる
したがって単位面積当たりの熱損失は
q = 0.94 × 350 = 329 W/m²
外面から深い位置(炉の内側寄り)ほど温度が高いので、熱は炉の内側から外面へ向かって流れ、外部へ失われる。温度こう配が一定であるから、この熱流束がそのまま壁外面からの単位面積当たりの熱損失となる。よって正答は(2)である。
なお、選択肢は(1)と(4)、(2)と(5)がそれぞれ100倍の関係にあり、距離を cm から m に換算したかどうかで対になっている。
各選択肢の解説
- (1)
1 490
誤り。熱伝導率 λ と距離 Δx の位置を取り違えて q = λΔT/Δx ではなく ΔT·Δx/λ とし、さらに距離を m に換算せず 20 (cm) のまま代入すると 70 × 20 / 0.94 ≈ 1 489 ≈ 1 490 となる。正しくは q = 0.94 × 70 / 0.20 = 329 W/m² である。
- (2)
329
正しい。測定点間の距離 0.20 m、温度差 70 K より温度こう配は 350 K/m。q = 0.94 × 350 = 329 W/m² となる。
- (3)
165
誤り。距離として 2 点の位置の和 0.10 + 0.30 = 0.40 m を用いると 0.94 × 70 / 0.40 ≈ 165 W/m² となるが、温度こう配は 2 点間の距離(差)0.20 m で求めるべきであり、正しい値は 329 W/m² である。
- (4)
14.9
誤り。熱伝導率 λ と距離 Δx の位置を取り違えて q = λΔT/Δx ではなく ΔT·Δx/λ とすると、距離を正しく 0.20 m としても 70 × 0.20 / 0.94 ≈ 14.9 となる。熱流束は熱伝導率と温度こう配の積であり、正しくは q = 0.94 × 70 / 0.20 = 329 W/m² である。
- (5)
3.29
誤り。距離を m に換算せず 20 (cm) のまま用いると 0.94 × 70 / 20 = 3.29 となるが、熱伝導率の単位が W/(m·K) なので距離は m 単位(0.20 m)で計算する必要がある。正しい値は 329 W/m² である。
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