熱工学の一問一答

解説
壁を通して伝わる熱量（熱貫流量）は、「熱貫流率×面積×室内外の温度差」で求めます。
1.5W/(m²・K)×20m²×15K＝450W となります。
熱貫流率は、壁の両側の空気の温度差が1K（1℃）のとき、壁1m²を1秒間に通過する熱量を表しています。

他の選択肢が誤りである理由
・30Wは、温度差（15K）を掛け忘れた値です（1.5×20）。
・300Wは、熱貫流率を掛け忘れ、面積と温度差だけを掛けた値です（20×15）。
・4,500Wは、桁を1つ多く計算した値です。

覚え方のポイント
「熱貫流量＝K×A×Δt」。K（熱貫流率）が小さい壁ほど断熱性が高く、熱が伝わりにくくなります。

解説
断熱材は、内部に動かない空気をたくさん閉じ込めることで、熱を伝えにくくしています。水は空気よりはるかに熱を伝えやすいため、断熱材が水分を含むと熱伝導率は大きくなり、断熱の性能が落ちます。保温材を濡らさないように施工するのはこのためです。

他の選択肢が正しい理由
・銅や鋼などの金属は熱伝導率が大きく、熱をよく伝えます。
・グラスウールやロックウールなどは、繊維の間に空気を含むので熱伝導率が小さくなります。
・コンクリートは、断熱材に比べて熱伝導率がずっと大きい材料です。

覚え方のポイント
「断熱材の敵は水」。保温・断熱の施工では、湿気や雨水から保温材を守ることが大切です。

解説
空気が露点温度以下に冷やされると、含んでいた水蒸気が水滴になります。壁の表面温度が室内空気の露点温度より低いと、壁に接した空気が冷やされて表面に水滴が付きます。これが表面結露です。

他の選択肢が誤りである理由
・表面温度が露点温度より高ければ、水蒸気は凝縮せず、結露は起こりません。
・室内の水蒸気量が多いほど露点温度が高くなり、結露は起こりやすくなります。
・断熱性を高めると、冬期の外壁の室内側の表面温度が上がるため、表面結露は起こりにくくなります。

覚え方のポイント
対策は「表面温度を上げる（断熱の強化）」「露点温度を下げる（水蒸気の発生を抑える・換気する）」の2方向です。

解説
内部結露は、室内の水蒸気が壁の内部に入り込み、壁の中の温度の低い部分で結露する現象です。これを防ぐには、水蒸気を壁の中に入れないように、防湿層を断熱材の室内側（冬期の高温多湿側）に設けるのが基本です。

他の選択肢が誤りである理由
・防湿層を屋外側（低温側）に設けると、壁の内部に入り込んだ水蒸気が逃げ場を失い、かえって結露しやすくなります。
・断熱材を厚くするだけでは、壁の内部に入り込んだ水蒸気による結露を防げません。
・加湿量を増やすと室内の水蒸気が多くなり、内部結露も表面結露も起こりやすくなります。

覚え方のポイント
「防湿層は室内側（暖かく湿った側）」。水蒸気は湿った側から乾いた側へ移動するので、入口でせき止めます。

解説
水の比熱は約4.2kJ/(kg・K)、空気の定圧比熱は約1.0kJ/(kg・K)なので、水の比熱は空気の約4倍です。水は温まりにくく冷めにくい、つまり多くの熱を運べる物質で、冷温水として熱を運ぶのに適しています。

他の選択肢が正しい理由
・比熱は、質量1kgの物質の温度を1K（1℃）上げるのに必要な熱量です。
・水の比熱は約4.2kJ/(kg・K)で、身近な物質の中でも大きい値です。
・空気の定圧比熱は約1.0kJ/(kg・K)で、空調の熱量計算でよく使います。

覚え方のポイント
「水4.2、空気1.0」。空調の顕熱負荷の計算では、空気の比熱と密度（約1.2kg/m³）を組み合わせて使います。

解説
熱伝達率は、壁の表面と、それに接する空気との間の熱の伝わりやすさを表します。表面に当たる風が強いほど、表面の空気が入れ替わりやすくなるため、熱伝達率は大きくなります。外壁の屋外側は風が当たるため、室内側より熱伝達率が大きく、熱負荷の計算でも屋外側の方を大きな値として扱います。室内側の方が大きいというのは逆です。

他の選択肢が正しい理由
・熱伝達は、固体の表面と流体（空気や水）との間の熱の移動です。
・屋外側の表面では、風速が大きいほど熱伝達率が大きくなります。
・熱貫流は、室内側の熱伝達→壁の中の熱伝導→屋外側の熱伝達、の全体を通した熱の通りやすさです。

覚え方のポイント
「伝導＝固体の中」「伝達＝表面と空気の間」「貫流＝空気から壁を通って反対側の空気まで」。熱伝達率は「風の当たる屋外側が大きい」と覚えましょう。

解説
空気比は、燃料を燃やすときに実際に供給した空気量を、完全燃焼に理論上ちょうど必要な空気量（理論空気量）で割った値です。実際の燃焼では、燃料と空気を完全に混ぜ合わせることが難しいため、理論空気量より少し多めの空気を供給し、空気比は1より大きくします。

他の選択肢が誤りである理由
・不完全燃焼は、供給する空気（酸素）が不足して空気比が小さすぎるときに起こりやすく、一酸化炭素やすすが発生します。
・完全燃焼させるには、理論空気量よりやや多い空気を供給します。
・空気比を大きくしすぎると、燃焼に使われない空気まで加熱して排出するため、排ガスによる熱損失が大きくなります。

覚え方のポイント
「空気比は1より少し大きく」。少なすぎると不完全燃焼、多すぎると熱損失が増える、の両方を押さえます。

解説
熱は、自然の状態では必ず高温の物体から低温の物体へ移り、その逆は自然には起こりません（熱力学の第二法則）。低温側から高温側へ熱を移すには、冷凍機やヒートポンプのように、外から仕事（エネルギー）を加える必要があります。

他の選択肢が正しい理由
・熱は自然には高温側から低温側へ移ります。
・冷凍機は、圧縮機の仕事を使って、冷やしたい側（低温側）から熱をくみ上げ、高温側へ捨てます。
・熱と仕事はどちらもエネルギーの形態で、互いに変換できます（熱力学の第一法則）。

覚え方のポイント
「熱は放っておくと高い方から低い方へ」。逆向きに運ぶための機械が冷凍機やヒートポンプです。

解説
冷凍機の成績係数（COP）は、「冷凍能力÷圧縮機の動力（入力）」で求めます。
7kW÷2kW＝3.5 となります。
COPが大きいほど、少ない動力で多くの熱を移せる、効率のよい冷凍機です。

他の選択肢が誤りである理由
・0.29は、動力÷冷凍能力と、分子と分母を逆にして計算した値です。
・4.5は、（冷凍能力＋動力）÷動力＝9÷2で求めた値です。これは凝縮器で放出する熱を暖房に使う場合（ヒートポンプの暖房）の成績係数にあたり、冷凍機の成績係数ではありません。
・14は、冷凍能力と動力を掛け合わせた値で、COPの式ではありません。

覚え方のポイント
「COP＝得られる能力÷使った動力」。ヒートポンプの暖房では、COP＝暖房能力÷動力となります。

解説
水が蒸発するときは、周囲から蒸発潜熱を吸収します。そのため周囲の温度は下がります。汗が乾くときに体が冷えるのはこのためです。逆に、水蒸気が凝縮して水になるときは、同じ量の潜熱を周囲へ放出します。

他の選択肢が正しい理由
・水1kgの蒸発潜熱は約2,500kJ（0℃基準）で、水1kgを1℃上げる顕熱量（約4.2kJ）よりはるかに大きい値です。
・沸騰中の水は、加えた熱が蒸発に使われるため、温度は沸点のまま一定です。
・凝縮するときには潜熱を放出します。蒸気暖房は、この凝縮熱を利用して暖房します。

覚え方のポイント
「蒸発は熱を奪う、凝縮は熱を出す」。冷凍機の蒸発器で冷やし、凝縮器で熱を捨てる仕組みもこの原理です。