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百瀬陽介

2011/11/22

熱量について

こんにちは、担当の山田です。
今回は、製品設計をする上で欠かせない熱力学の一部である熱量について紹介します。

ご家庭でも良く使われている電気ポット（1kW）で20℃の水２ℓを沸騰させるために必要とする時間を、熱力学で求める事ができます。

最初に、沸騰に必要な熱量Q1を求めます。
Ｑ1＝ｍＣ（ｔ２-ｔ１）　　m：質量、Ｃ：比熱容量（水は4.19kJ/（kg・℃）
　　　　　　　　　　　　　ｔ１：初期温度（２０℃）、ｔ２：目標温度（１００℃）
より
Ｑ１＝２×４．１９（１００―２０）＝６７０．４　KJ

上記計算より、沸騰に必要な熱量は６７０．４KJということになります。

ポットの発生熱量を１００％沸騰させる熱として伝えることは難しく、実際には発生熱量は外に逃げます。今回は、２０％が外に逃げる（効率０．８）と仮定して計算してみます。

上記条件から次の式が成り立ちます。
Ｑ１＝電気ポットの電力KW×効率×時間

沸騰させるために必要な時間を求めたいので
時間＝Ｑ１／（電気ポットの電力×効率）＝６７０．４／（１×０．８）＝８３８

よって、１kWの電気ポットで20℃の水１ℓを沸騰させるときにかかる時間は、
８３８秒（約１４分）になります。

外に逃げる熱をゼロにする設計できれば、６７０秒（約１１分）で沸騰させることができ、３分も時間短縮できることになります。家庭にある電気ポットの沸騰時間を計測し効率を求めてみるのも面白いかもしれませんね。

この他に、製品設計では、材料力学（材料の厚み、材質などの選定）、機械力学（静力学、動力学）、流体工学（圧力）、などの様々な知識が必要になります。機会があればまたご紹介します。

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