9.- 熱力学&熱工学

熱力学は、平衡状態にあるシステムにおける熱、仕事、およびその他のエネルギーの発現の間の相互作用の研究を担当する物理学の分野です。熱力学的原理は、平衡状態にある巨視的システムの全体的な振る舞いを説明します。

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熱力学は、初期状態と最終状態のみを研究するため、熱伝達プロセスを扱いません。これらのプロセスは、実際の熱およびエネルギーフラックスを決定する伝導、対流、および放射プロセスに焦点を当てた熱技術の範囲に含まれます。

熱力学的現象を説明する基本的な法則は、さまざまなシステムにおける圧力、体積、および温度の関係の研究から、歴史を通じて研究されてきました。

  • オープンシステム:外部(冷却塔)と熱と質量を交換します。
  • クローズドシステム:外部(可動プランジャー付きのコンテナー)とのみ熱を交換します。
  • 隔離されたシステム:熱や質量を交換しません(理想的なサーモ)。

熱力学と熱技術には、火力発電所でのエネルギーの生産から冷凍システム、建築工学まで、多くの用途があります。

機器の主な実用的なアプリケーションは、エネルギーと熱の変換と交換を利用する熱機械です:エンジン、タービン、空調、暖房、ボイラー、ノズル、冷却塔…

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9.1.- 熱力学の基礎と基本概念

熱力学は、モデル化されていない実在のシステムを実験的手法で研究する現象学の中の物理学の一分野です。その結果、それらは近似と変数の測定によって実験的に定義されています。マクロ的には、熱力学系は変数によって定義される。熱力学的変数を多数測定することができますが、システムを一意に決定するためには、状態関数である1つの数値だけが必要です。圧力、体積、温度、エントロピー、エンタルピーは最も重要な状態変数の一つです。熱力学的変数の変更に伴い、物質の集合状態の変化が起こる。凝集の基本的な状態は固体、液体、気体であり、それぞれの元素や化合物には、状態変化が起こる圧力や温度の条件があります。実際の熱力学系...
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9.2.- 暖房、 換気、 空調、 温水

多くの生活状況では、工業環境、住宅や温室など、特定の環境条件が必要とされます。空気のパラメータは、要件に応じて特定のインストールの助けを借りて変更することができます。通常の状態の空気中には、酸素が約23%、窒素が約76%、質量気体や蒸気が約1%含まれています。これらの中で最も重要なのは水蒸気であり、その割合は非常に小さいが、湿った表面や物質からの蒸発速度において基本的に重要である。エアコンや換気設備は、空気の湿度や温度や圧力などの他のパラメータを変更する責任があります。空気のパラメータが変更されているので、特定の条件を得るために給湯装置が使用されます。日常の環境では、水は衛生的な目的(浴...
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9.3.- ヒートポンプ

ヒートポンプとは、ある環境から別の環境に熱の形でエネルギーを交換する熱機械のことで、寒い場所から暖かい場所へとエネルギーを交換します。熱力学の第2原理により、熱は高温のものから低温のものへと自然に移動するため、その動作にはエネルギーの投入が必要です。ヒートポンプのサイクルは以下の通りです。圧縮:...
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9.4.- 冷凍

冷凍は、空間や身体の温度を下げたり、維持したりする熱力学的プロセスです。冷たい熱源から熱を取り出し、高温の熱源に熱を伝えるというプロセスです。エネルギーの輸送には冷却液を使用しています。最も普及しているのは、冷蔵サイクル方式です。このシステムは、古典的な圧縮サイクルに従う。圧縮:コンプレッサーは電気エネルギーを熱に変えて冷媒流体に伝え、圧力と温度を上げます。 凝縮:凝縮器の中で冷媒が気体状態から液体状態に変化し、熱源に熱を与える。 膨張:液体が気体に膨張して冷えること。 蒸発:冷熱源から熱が吸収されて冷媒に移動します。...
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9.5.- 熱油圧配管システム

熱油圧パイプラインは、熱設備の一部であるすべての流体輸送システムです。建物では、これらのシステムは暖房や衛生設備の一部として使用されています。伝導システムは特定の目的に基づいて設計され、計算されますが、その中で最も重要なのは、すべてのサービスを供給するために量と質の水を提供することです。建物への飲料水の供給には、3つのタイプの設備があります。一つは冷水工事、もう一つは温水工事、そして最後に排水や雨水の避難を含めた衛生工事です。一方、暖房は内部に水がある閉回路です。ボイラー内で加熱され、ラジエーター内で発熱します。人間が消費するための冷水設備は、タンク、パイプ、継手などの様々な要素で構成さ...
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9.6.- 熱伝達

熱力学の法則は、熱と仕事の間のエネルギー移動と相互作用を扱いますが、平衡系の場合のみです。その結果、初期状態と最終状態を決定することはできますが、中間過程の予測や定量化には役立ちません。熱伝達は、これらのプロセスを決定するための方法を提供します。熱伝達には3つのモードがあります。伝導:高い温度の領域から低い温度の領域への熱伝達を引き起こす温度勾配の効果によって固体媒体で発生します。単位時間あたりの伝導による熱伝達は、温度勾配に面積Aを乗じた値に比例します。対流:流体が固体表面に接触すると、流体の粒子と固体の間で交換が起こる。対流過程は2つある.自由対流:流体の粒子間の密度差が駆動力となる...
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9.7.- 熱交換器

熱交換器は、2つの流体間で熱を伝達するように設計された機械装置です。熱は、流体間の接触によって、あるいは流体を隔てる固体バリアを介して伝わります。空調、冷凍、冷房、空調などのシステムの基本的な要素です。直接接触式熱交換器は、2つの流れの摩擦によって熱が伝達されるものです。このタイプの熱交換器は、移送プロセスの後、流体が容易に分離可能な場合、例えば冷却塔などで使用されます。間接接触式熱交換器は、2つの流体を隔てる隔壁があり、対流と伝導によって熱を伝えます。間接接触熱交換器の中に 2...
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9.8.- 熱機械

熱機械は、圧縮性のある流体を介して高温から低温へのエネルギーの通過を繰り返すプロセスを通じて作業を行う機械要素のセットです。熱機械では、熱機械を通過する際に作動流体の密度が大きく変化します。逆に油圧式の機械では、この変化はごくわずかです。サーマルマシンの分類にはいくつかの基準があります。エネルギーの移動方向に応じて:モータまたは発電機。その体質によると:回転式またはレシプロ式。流れの連続性に応じて:体積流量または連続流量。燃焼場所により、外気燃焼か内気燃焼か。最も重要なのは火力発電機です。タービン:それは流体が連続的に通過し、シャフトを介してそのエネルギーを送信する回転機械です。流体は、...
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9.9.- 内燃エンジン

内燃機関は、作動筒内での燃焼過程を経て、燃料-空気混合物の化学エネルギーを機械エネルギーに変換する流体機械です。燃焼では、燃料に含まれるエネルギーがエンジン内部で着火とその後の酸化によって放出されます。内燃機関の主な種類は以下の通りです。オットーサイクル燃焼エンジン:従来のガソリンエンジンです。ディーゼルエンジン:ディーゼル燃料で走ります。オットーエンジンとディーゼルエンジンは、同じ主要要素(ブロック、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、バルブ、シリンダーヘッド)を持ち、オットー用のキャブレターやディーゼル用のインジェクターのようないくつかの特定の要素を除いて、同じシステム(パワーシ...
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9.10.- インストールとメンテナンス

現代社会のニーズは、それに適応するために進化と改修を続けていかなければならないため、どの業界にとっても課題となっています。近年、新しい産業革命や「インダストリー4.0」、「モノのインターネット」(IIoT)や「スマートファクトリー」の出現により、既存のものを改修する際の新しい設備の設計における最も洗練された技術の応用により、これらのニーズに対応することが可能になりました。これらすべての技術的進歩と徹底した管理にもかかわらず、生産プロセスに関わるすべての要素が機械的・電気的な摩耗(努力、負荷など)を受け、その耐用年数が限られていることを忘れてはなりません。致命的な故障、生産停止、または非生...
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熱力学&熱工学 UNITS
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