熱の実験室-新館
第14回 熱エネルギー保存の法則を確かめる-1
新館は、4人の若手メンバーが交代で担当します
実験実施: 2008年10月
 金属に熱を伝えると、伝えた点からの距離が長くなるに従い、金属の表面温度は低くなります。
 これは、皆さんご存知の通り金属表面からの放熱によるものです。放熱とは物体表面から熱が放出されることを言い、その熱量は物体表面の放射率、外気への対流熱伝達率、物体表面の温度などにより計算できます。

 ここで、以下の2つの場合について考えてみます。
(1) 金属棒の側面を完全に断熱し、金属棒側面からの放熱を0とすると、A面からの伝熱量QとB面からの放熱量Qの関係はどうなるでしょうか。 (2) 金属棒の側面は断熱せず、金属棒側面から放熱がある場合はどうなるでしょうか。
図. 金属棒(断熱あり) 図. 金属棒(断熱なし)
 (1)の場合は、熱力学の第1則より、定常状態の場合は熱エネルギーが保存されるのでQ1=Q2となるでしょう。それでは、(2)の場合はどうなるでしょうか。Q=Q+Qとなるのでしょうか。実験をして確かめてみました。

 ● 使用するもの

  • 熱板(温度調節器付き)
  • Kタイプ熱電対
  • φ10の金属棒(ステンレス、鉄、真鍮、アルミ)

 ● 実験方法

  1. 熱板に金属棒を差し込みます。
  2. 熱板の温度を100℃、150℃、200℃に保ちます。
  3. 熱板が各温度で安定したときの金属棒のB面の温度を測定します。
  4. 得られた数値から金属棒に伝わる伝熱量Q、金属棒表面からの放熱量Q、Qを求め、QとQ+Qを比較してみます。
 なお、用いる金属棒の熱伝導率、放射率は以下の値を使用します。

表. 金属棒の熱伝導率と放射率
材質 ステンレス 真鍮 アルミ
熱伝導率(W/m・K) 16.7 50 99 230
放射率 0.85 0.3

 ● 実験結果

 まず、最初に温度測定の結果を以下に示します。

表. 温度測定結果
熱板温度(℃) B面温度(℃)
ステンレス 真鍮 アルミ
100 72.5 87.5 90.2 93.3
150 101 126.4 133.7 137.7
200 130 165.3 175.8 182

 次に、得られた温度を用いて、A面から金属棒に流れ込んだ伝熱量Qを求めます。その際、以下の式を使用しました。
・・・ (1)
S:熱伝導する面積 L:棒材の長さ
λ:熱伝導率 ΔT:熱板との温度差
 (1)の式より得られた、各材料の各温度での伝熱量を以下に示します。

表. 伝熱量計算結果
熱板温度(℃) 伝熱量(W)
ステンレス 真鍮 アルミ
100 1.13 1.53 2.38 3.78
150 2.01 2.89 3.96 6.94
200 2.87 4.26 5.88 10.16

  • 1
  • 2