問題
熱移動に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) 一般に、同一材料でも内部に水分を多く含むほど、熱伝導抵抗は小さくなる。
(2) 一般に、密度が大きい材料ほど、熱伝導抵抗は小さくなる。
(3) 均質な壁体内を流れる熱流は、壁の両面の温度差に熱伝導抵抗の逆数を乗じて求められる。
(4) 中空層の熱抵抗は、中空層内面にアルミ箔を用いると小さくなる。
(5) 硬質ウレタンフォームなどの断熱材の熱伝導率が小さいのは、材料を気泡状に加工することによって内部の気体の流動が阻止されることによる。
ビル管過去問｜熱移動の基本を解説
この問題は、熱伝導抵抗、熱流の求め方、中空層の熱抵抗、断熱材の仕組みなど、建築の熱移動の基本を問う問題です。正しい理解のポイントは、「水分や密度が増すと一般に熱は伝わりやすくなる」「熱流は温度差÷熱抵抗で求める」「アルミ箔は中空層内の放射熱移動を抑えるため熱抵抗を大きくする」という点です。したがって、最も不適当なのは(4)です。水分が増えると熱伝導率は上がりやすく、熱抵抗は下がります。多孔質材料では密度上昇も一般に熱伝導率上昇につながります。また、熱抵抗は温度差を熱流で割った量であり、言い換えると熱流は温度差に熱抵抗の逆数を掛けて求められます。さらに、アルミ箔のような低放射率面は中空層の放射熱伝達を減らし、空気層の熱抵抗を増やします。硬質ウレタンフォームのような発泡断熱材は、内部に閉じ込めた気体と細かな気泡構造によって熱移動を抑えています。
(1) 一般に、同一材料でも内部に水分を多く含むほど、熱伝導抵抗は小さくなる。
適切です。その理由は、多孔質の建築材料では、乾燥時に空気が入っている空隙へ水分が入り込むと、材料全体として熱を伝えやすくなるためです。一般に、水分の増加は熱伝導率の上昇を招きます。熱伝導抵抗は熱伝導率が大きいほど小さくなるので、水分を多く含むほど熱伝導抵抗は小さくなる、と考えてよいです。断熱材や木材などで「湿ると断熱性能が落ちる」と覚えておくと理解しやすいです。
(2) 一般に、密度が大きい材料ほど、熱伝導抵抗は小さくなる。
適切です。その理由は、一般に多孔質材料では密度が大きくなるほど内部の空隙が減り、空気よりも熱を伝えやすい固体部分の割合が増えるため、熱伝導率が大きくなりやすいからです。熱伝導率が大きくなると、同じ厚さで比較した場合の熱伝導抵抗は小さくなります。つまり、軽くて空隙の多い材料ほど断熱しやすく、重く詰まった材料ほど熱を通しやすい、という理解です。
(3) 均質な壁体内を流れる熱流は、壁の両面の温度差に熱伝導抵抗の逆数を乗じて求められる。
適切です。その理由は、定常状態の一次元熱伝導では、熱流は「温度差÷熱抵抗」で表されるからです。これは「温度差×熱抵抗の逆数」と同じ意味です。試験では式の形が少し言い換えられることがありますが、内容は同じです。熱抵抗が大きい壁ほど熱流は小さくなり、熱抵抗が小さい壁ほど熱流は大きくなります。
(4) 中空層の熱抵抗は、中空層内面にアルミ箔を用いると小さくなる。
不適切です。その理由は、アルミ箔のような表面は放射率が低く、中空層内で起こる放射による熱移動を小さくするためです。その結果、中空層全体としては熱が移動しにくくなり、熱抵抗は小さくなるのではなく大きくなります。つまり、この選択肢は増減の向きが逆です。建築では、アルミ箔面を空気層に向けることで放射熱のやり取りを抑え、断熱性能を高める考え方が用いられます。
(5) 硬質ウレタンフォームなどの断熱材の熱伝導率が小さいのは、材料を気泡状に加工することによって内部の気体の流動が阻止されることによる。
適切です。その理由は、硬質ウレタンフォームのような発泡断熱材は、内部に細かな気泡を多数持つ構造になっており、その中に閉じ込められた気体が熱の移動を受けにくくするからです。特に、気泡が細かく独立していると内部で対流しにくくなり、熱移動が抑えられます。そのため熱伝導率が小さくなり、断熱材として優れた性能を示します。試験では「気泡構造」「閉じ込めた気体」「内部対流の抑制」がキーワードです。
この問題で覚えるポイント
熱伝導抵抗は、熱を伝えにくさを表す量です。熱伝導率が大きいほど熱伝導抵抗は小さくなります。
材料は水分を含むと熱を伝えやすくなり、断熱性能は低下しやすいです。
多孔質材料は、一般に密度が大きいほど空気層が減るため、熱を通しやすくなります。
熱流は「温度差÷熱抵抗」で求めます。式の言い換えに慣れておくことが大切です。
アルミ箔を空気層に向けると放射熱移動が減るため、中空層の熱抵抗は大きくなります。
発泡断熱材は、細かな気泡により気体の流動を抑えて断熱性能を高めています。
ひっかけポイント
「アルミ箔＝金属だから熱を通しやすい」と単純に考えると誤りやすいです。中空層では、アルミ箔は放射熱を抑える働きが重要です。
「熱伝導率」と「熱伝導抵抗」を逆に覚えると失点しやすいです。熱伝導率が大きいほど、熱伝導抵抗は小さくなります。
「温度差に熱伝導抵抗を掛ける」と誤記憶しやすいですが、正しくは温度差に熱抵抗の逆数を掛ける、つまり温度差÷熱抵抗です。
断熱材の性能は材料そのものだけでなく、内部の空気や気泡構造によって成り立っている点が狙われやすいです。
