「伝熱工学（東京大学機械工学）：庄司正弘」
内容
初学者に向けて、熱伝導、熱伝達、熱放射についてやさしく解説。とくに熱伝導については、応用上重要な個別の問題も取り上げる。 （1995年3月刊行）
著者
庄司正弘（プロフィール）
1943年生まれ。
1966年：東京大学工学部機械工学科卒業
1971年：東京大学工学部講師
1972年：同助教授、教授
2004年：独立行政法人 産業技術総合研究所
2006年：神奈川大学工学部機械工学科 教授
理数系書籍のレビュー記事は本書で212冊目。
熱伝導の本の次は「伝熱学本」を読んでみた。この分野を学ぶのは僕にとって初めてのことだ。
本書を読んだ理由
熱のつたわり方には「熱伝導による伝熱」と「対流による伝熱」、「熱放射による伝熱」の３種類あることを私たちは小学４年生の理科で学ぶ。（参考ページ）しかしそのどれについても温度や熱の計算方法を学ぶ機会はその後訪れることはない。高校や大学で物理を選択したとしてもだ。それらは大学の工学部で伝熱工学として教えられている内容だからだ。
たとえば次のような質問には熱力学では解決できず、伝熱工学の知識がないと答えることができない。
- 100℃のお湯に手を入れると大やけどをするが、100℃のサウナに入ってもやけどをしない理由。
- 20℃の大気中に長時間放置した鉄と木の塊の温度は両方とも20℃だが、手で触ると鉄の塊のほうが冷たく感じる理由。
「時間の経過に従いながら熱が伝わること」は日常ごくありふれた現象なのに、その詳細なからくりは僕の理数系知識の中ですっぽりと抜け落ちていることに今頃になって気がついたのだ。もちろんスペースシャトルの耐熱パネルの設計やバイクや自動車のエンジンの設計、原子力発電所の設計などで熱の移動のシミュレーションをしていることは知っていたが、その元になる「基礎理論」や「学問体系」としてのあり様を意識しないまま過ごしてきた。熱力学を学んで伝熱工学を学んでいないのは片手落ちのような気がした。
伝熱工学の知識なしでは自動車のエンジンやエアコン、冷蔵庫だけでなくCPUを使う電子機器、ボイラー、ガスタービン、飛行機やロケットのジェットエンジン、原子炉および発電設備などあらゆる熱機関の設計はできない。今は原発問題やエネルギー問題がこれだけ取り沙汰されているのだから伝熱工学を学ぶことの意義はさらに大きいはずだ。
コンピュータ・シミュレーション以前の伝熱工学とはどのようなものだったのか？熱伝導についてはこれまで「熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂」と「なっとくする偏微分方程式：斎藤恭一」で学んできた。現代の視点から見た伝熱工学の中で熱伝導はどこまで進化を遂げているか？そういったことが知りたくなり手始めに本書を読んでみたのだ。本書を選んだのはアマゾンのレビューでの評価が良かったからである。
なお、熱力学と伝熱工学をまとめて「熱工学」と呼ぶそうだ。伝熱工学は1820年代にフーリエの熱伝導の研究から始まり、1930年頃までに整理されて現在の形にまとめられていったという。
本書の章立ては次のとおりだ。（詳細目次は本記事のいちばん下を参照）
第１章：序論
第２章：熱伝導と熱伝導方程式
第３章：定常熱伝導
第４章：非定常熱伝導
第５章：各種熱伝導問題
第６章：近似解析法：プロフィル法と数値計算法
第７章：対流と熱伝達
第８章：強制対流熱伝達
第９章：自然対流熱伝達
第１０章：熱放射
第１１章：放射伝熱
前半の５章を熱伝導の記述に、後半の３章を熱伝達（対流伝達）、２章を熱放射の記述に割いている。
第１章は序論で「熱力学と伝熱工学の違い」および「伝熱の形態に熱伝導、熱伝達（対流伝達）、熱放射の３種類あること」が解説される。本書では「温度が一様な平衡状態にある系を対象として、系がある平衡状態から他の平衡状態に移るときの状態変化、熱あるいは仕事の出入りを議論する」のを熱力学、「温度の非平衡を前提として温度の空間分布や時間変化、熱の移動速度を議論する」のを伝熱工学であると説明している。
第２章は熱伝導の物理を解説した章。熱伝導方程式やその初期条件、境界条件のたてかた、熱伝導方程式系の無次元化や相似則、熱伝導問題の解法、熱伝導率と温度伝導率についての解説がされている。解法には数式による解析解（厳密解）を計算するもののほか、数式による近似解を得る方法、数値計算による方法の種類などをおおまかに学ぶ。
第３章は熱伝導のうち「定常熱伝導」と呼ばれる現象の計算方法を物体の各形状にごとに解説している。定常熱伝導とは時間が経って物体の各部分の温度分布が変化しなくなった状態のことだ。形状の違いに応じて解析的な計算方法が整理されて紹介されている。物体の形状は平板、円柱、球のほか、多層平板、多層円柱、多層球など物性の異なる物体間の熱の移動の計算方法も紹介される。また熱伝導を電気抵抗とのアナロジーを使って解く方法もこの章で学ぶ。
第４章は「非定常熱伝導」つまり時間の経過に従って変化する温度の計算方法を物体の形状ごとに解説する。しかしこの段階になると問題は難しすぎて解析解が得られるのはごく稀だ。そのため「ハイスラー線図」を始めとするグラフや数表を補助的に使って問題を解かなければならない。実際「熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂」で紹介したように非定常熱伝導の解析解は無限級数での表示にとどまっている。だから具体的な数値をその都度計算するのは効率が悪く現実的ではないのだ。
第５章は「各種熱伝導問題」として「熱通過」、「フィンの熱効率の計算」、「相変化を伴う熱伝導」、「熱伝導の逆問題」などについての計算方法を学ぶ。「熱通過」とは熱交換器など２つの流体が隔壁をはさんだ形で熱の移動が行われる仕方のことである。つまり熱伝達と熱伝導が一体となった形の伝熱方法だ。
第６章の「近似解析法：プロフィル法と数値計算法」では解析的に解けない熱伝導問題に対する２つのアプローチが紹介される。１つ目はプロフィル法と呼ばれる数式計算による方法だ。これは熱伝導方程式を多項式で近似し、初期条件や境界条件を代入して多項式の係数を求めて解を得る方法だ。おおむね数パーセントの誤差が生じてしまうが、現実的な時間と精度で解を求められるのが利点で、多次元に応用できないのが欠点だ。２つ目はコンピュータを使ったシミュレーション解法で、いちばん代表的な「差分法」が紹介される。
「熱伝導」についての解説はこの章までである。
第７章の「対流と熱伝達」：この章から３章にわたって熱伝達（対流による熱伝達）による伝熱計算の方法が解説される。現象としてのイメージは物体の回りに液体や気体などの流れがあり、それによって物体の熱が奪い去られる状況を思い浮かべると分かりやすいだろう。第７章ではこの状況を物理的にどのように数式表現するかということに重点が置かれる。結果として得られるのは「連続の式」、「運動方程式」、「エネルギー方程式」の３つの偏微分方程式だ。
熱伝導率は物体内の熱の移動にかかわる数値だが、この章で紹介される熱伝達率は物体の表面から出る熱にかかわる数値である。またこの章ではレイノルズ数を始めとする伝熱工学で用いる各種の無次元数が紹介される。（ビオ数、エッカート数、フーリエ数、グラスホフ数、ヌッセルト数、ペクレ数、プラントル数、レイノルズ数、スタントン数）これらは伝熱工学を理解するために必須な数値である。
第８章の「強制対流熱伝達」では対流熱伝達のうち「強制的におこした流れ」による熱伝達の計算方法が解説される。イソップ物語の「北風と太陽」の北風が旅人の体温を奪う状況、風呂あがりに扇風機にあたって涼む状況のことだ。流れが穏やかな状況を「層流」、勢いがついて不規則な流れになった状況を「乱流」と呼ぶが、それぞれの状況でどこまで理論が完成しているのか本書を読めばよく理解することができる。
第９章「自然対流熱伝達」では物体のもつ熱によって自然に対流がおきている状況で行われる熱伝達の計算方法が解説される。章を分けて書いてあることからわかるように「強制」と「自然」では計算方法が違うのだ。「自然対流」のほうがよく研究され、緻密な理論が構築されている。理解するのはとても難しいが、こういうことが戦前から戦後にかけて研究されていたことを知って、またひとつ知らない世界が目の前にあらわれた気がした。
第１０章の「熱放射」は３つ目の熱伝達の方法だ。赤外線ヒーターにあたって温まる状況やイソップ物語の「北風と太陽」で言えば「太陽」の光が旅人にあたって体温を上昇させる状況である。第１０章ではそのうち物理的な側面が解説される。つまり熱放射、黒体放射、プランクの式、ステファン-ボルツマンの式、吸収率、反射率、透過率、灰色面近似、気体の熱放射などだ。
第１１章の「放射伝熱」の章では計算方法を具体的に学ぶ。放射伝熱というのは要するに物質から出る熱線（電磁波）が他の物体におよぼす熱的影響のことなので、相手の物体から自分が「見えるか、見えないか」という幾何学的な配置を元にして計算するわけなのだ。物体はお互い熱線を出し合っているし、自分が発した熱線が自分自身に戻る場合も考えなくてはならない。理屈ではそうなるわけだが、具体的にどう計算すればよいのかがこの章で解説される。
本書を読み終えて
伝熱工学がカバーする範囲はとても広く、かつそれぞれの分野は深いので本書のように260ページ程度の本では「概説」するだけで終わってしまうことがわかった。したがって本書で方程式の解に至る導出過程が示されているケースが少ないのもうなずけた。数式をていねいに導出すると本の厚さは３倍以上になってしまうだろう。
伝熱工学の本として読んだ１冊目なので、必要なことがすべて網羅されているかは他書と比べてみる必要があるが、それぞれの項目をより詳しく学ぶのためにはもっと専門的な書籍（主に洋書）を読むしかなないこともわかってきた。
自分にとって伝熱学は新しい分野だったので知らないことの連続だった。最終的にはコンピュータのシミュレーションで解決するのが現代のやり方なのだろうが、過去の研究者の足跡をたどってみることは大切だと思った。
関連ページ：
Webラーニングプラザ：熱工学（工業熱力学と伝熱学）の内容
http://weblearningplaza.jst.go.jp/cgi-bin/user/top.pl?next=lesson_list&type=simple&field_code=31&course_code=452
Excelによる伝熱工学
http://chemeng.in.coocan.jp/ExcelCe/exhc.html
伝熱工学講義ノート(PDF)
http://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/Lecture/HeatTransfer/HeatTransfer_6thAll.pdf
関連記事：
伝熱工学 (JSMEテキストシリーズ)：日本機械学会
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/bfd58adf704e39cb64ca95224c7262b5
熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/5bcc7bc3efc16463743cd01d3c989622
なっとくする偏微分方程式：斎藤恭一
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/16d054ebc14ad1c4336f2b9f997eb00c
図解 熱力学の学び方 (第2版)：北山直方
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/f48fd3b842e6330e42fe682dd680e315
熱学思想の史的展開：山本義隆
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/d1b18caf10c0e9a10baff20434eb9ffc
フェルミ熱力学：エンリコ・フェルミ
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/216e71aa30d5376730170863b5f9070a
現代の熱力学：白井光雲
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/75ea63d19b1108d479a1cecb6df618f3
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「伝熱工学（東京大学機械工学）：庄司正弘」
「東京大学機械工学」シリーズの刊行にあたって
まえがき
本書の内容について
用語、記号と単位
第１章：序論
- 伝熱とは
- 熱力学と伝熱工学
- 伝熱の基本形態
-- 熱伝導
-- 熱伝達
-- 熱放射
- 実際の伝熱問題
- 単位系や記号など
第２章：熱伝導と熱伝導方程式
- 熱伝導方程式
-- 熱伝導方程式の導出
-- 熱伝導問題の種類
-- 定常問題および特殊条件下の熱伝導方程式
- 初期嬢kんと境界条件
-- 初期条件
-- 境界条件
- 熱伝導方程式系の無次元化と相似則
-- 熱伝導方程式系の無次元化
-- 熱伝導問題における相似則
- 熱伝導問題の解法
- 熱伝導率と温度伝導率
-- 気体の熱伝導率と温度伝導率
-- 液体の熱伝導率と温度伝導率
-- 固体の熱伝導率
-- 断熱材
第３章：定常熱伝導
- １次元定常熱伝導問題
-- 無限平板、無限円筒、球殻
-- 無限円柱、球
-- 熱抵抗と１次元多層物体の熱伝導
-- 断面積や物性が変化する１次元定常熱伝導
- 多次元定常熱伝導
-- 変数分離法による２次元問題の解法
-- 等角写像法による２次元問題の解法
-- 形状係数
第４章：非定常熱伝導
- １次元非定常熱伝導
-- 平板、円柱、球の熱伝導
-- ハイスラー線図
-- デュアメルの定理
-- 半無限物体の熱伝導
- 多次元非定常熱伝導
-- 集中熱容量法
-- 解の可積性
第５章：各種熱伝導問題
- 熱通過
-- 熱通過率と総括熱抵抗
-- 多層体の熱通過率
-- 汚れ係数と接触熱抵抗
- フィンの熱伝導
-- フィン効率
-- 矩形フィンの解析
-- 各種形状フィンと計算図表
- 相変化を伴う熱伝導問題
-- ステファン問題
-- 準定常解
-- 数値計算法
- 熱伝導の逆問題
-- 順問題と逆問題
-- １次元逆問題
-- 多次元問題と差分法
-- 逆問題計算における注意点
第６章：近似解析法：プロフィル法と数値計算法
- プロフィル法
-- 特徴と解析手順
-- 半無限固体の熱伝導解析
-- ステファン問題の解析
-- 解精度向上法としての変分法
- 数値計算法
-- 差分法の計算手順
-- 微係数の差分表示
-- 熱伝導方程式と境界条件の差分表示
-- 陽解法と陰解法
-- 連立方程式の解法
-- 解の精度と計算の安定性
-- 差分法以外の数値計算法の概説と特徴
第７章：対流と熱伝達
- 熱伝達と熱伝達率
- 境界層
-- 速度境界層と温度境界層
-- 層流と乱流
- 運動方程式
-- 連続の式
-- 運動方程式
- エネルギー方程式
- 境界層近似
- 相似則と無限次数
-- [参考]次元解析
- 流れと熱のアナロジー
- 乱流
- 熱伝達率の測定法
第８章：強制対流熱伝達
- 平板に沿う層流の熱伝達
-- 流れの解析：ブラウジウスの解
-- 温度分布の解析：ポールハウゼンの解
-- 熱伝達率
-- プロフィル法による解
- 平板の沿う乱流の熱伝達
- 円柱を横切る流れと熱伝達
- 円管内の発達した層流の熱伝達
-- 流束分布
-- 温度分布
-- 熱伝達
- 円管内の発達した乱流の熱伝達
- 円管内の助走区間の熱伝達
-- 流れが発達している場合
-- 流れ、温度ともに未発達の場合
第９章：自然対流熱伝達
- 垂直平板に沿う自然対流の層流熱伝達
-- 運動方程式とエネルギー方程式
-- 方程式の無次元化と特性無次元数
-- 解析解
-- プロフィル法による近似解
- 垂直平板に沿う自然対流熱伝達の相関式
第１０章：熱放射
- 熱放射
- 熱放射の強さ
-- 射出強度
-- 射出能
- 黒体放射
-- 黒体
-- プランクの式
-- ウィーンの変移則
-- ステファン-ボルツマンの式
- 物体表面の熱放射：射出率
- 吸収、反射、透過
-- 吸収率、反射率、透過率
- キルヒホフの法則
-- 灰色面近似
- 気体の熱放射
-- ビアの法則
-- 射出と吸収
- 太陽放射
第１１章：放射伝熱
- 形態係数
-- 形態係数の計算式
-- 形態係数間の関係式
-- ２次元表面間の形態係数
-- ３次元表面間の形態係数
- 灰色面系の放射伝熱
-- 射度と閉空間系の放射伝熱
-- 基本的な灰色面系の放射伝熱
-- 放射熱遮蔽
-- ネットワーク法
- 規則反射成分がある場合
- 吸収性、透過性物質の取扱い
-- 反射性が無視できる場合
-- 反射性を考慮する場合
- ガス塊と固体面の放射伝熱
付録：
A：１次元非定常熱伝導問題の固有値
B：誤差関数とベッセル関数
C：無次元数一覧
D：熱工学研究史
E：各種単位系と単位換算
F：各種物質の熱物性
G：教科書・参考書
索引
内容
初学者に向けて、熱伝導、熱伝達、熱放射についてやさしく解説。とくに熱伝導については、応用上重要な個別の問題も取り上げる。 （1995年3月刊行）
著者
庄司正弘（プロフィール）
1943年生まれ。
1966年：東京大学工学部機械工学科卒業
1971年：東京大学工学部講師
1972年：同助教授、教授
2004年：独立行政法人 産業技術総合研究所
2006年：神奈川大学工学部機械工学科 教授
理数系書籍のレビュー記事は本書で212冊目。
熱伝導の本の次は「伝熱学本」を読んでみた。この分野を学ぶのは僕にとって初めてのことだ。
本書を読んだ理由
熱のつたわり方には「熱伝導による伝熱」と「対流による伝熱」、「熱放射による伝熱」の３種類あることを私たちは小学４年生の理科で学ぶ。（参考ページ）しかしそのどれについても温度や熱の計算方法を学ぶ機会はその後訪れることはない。高校や大学で物理を選択したとしてもだ。それらは大学の工学部で伝熱工学として教えられている内容だからだ。
たとえば次のような質問には熱力学では解決できず、伝熱工学の知識がないと答えることができない。
- 100℃のお湯に手を入れると大やけどをするが、100℃のサウナに入ってもやけどをしない理由。
- 20℃の大気中に長時間放置した鉄と木の塊の温度は両方とも20℃だが、手で触ると鉄の塊のほうが冷たく感じる理由。
「時間の経過に従いながら熱が伝わること」は日常ごくありふれた現象なのに、その詳細なからくりは僕の理数系知識の中ですっぽりと抜け落ちていることに今頃になって気がついたのだ。もちろんスペースシャトルの耐熱パネルの設計やバイクや自動車のエンジンの設計、原子力発電所の設計などで熱の移動のシミュレーションをしていることは知っていたが、その元になる「基礎理論」や「学問体系」としてのあり様を意識しないまま過ごしてきた。熱力学を学んで伝熱工学を学んでいないのは片手落ちのような気がした。
伝熱工学の知識なしでは自動車のエンジンやエアコン、冷蔵庫だけでなくCPUを使う電子機器、ボイラー、ガスタービン、飛行機やロケットのジェットエンジン、原子炉および発電設備などあらゆる熱機関の設計はできない。今は原発問題やエネルギー問題がこれだけ取り沙汰されているのだから伝熱工学を学ぶことの意義はさらに大きいはずだ。
コンピュータ・シミュレーション以前の伝熱工学とはどのようなものだったのか？熱伝導についてはこれまで「熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂」と「なっとくする偏微分方程式：斎藤恭一」で学んできた。現代の視点から見た伝熱工学の中で熱伝導はどこまで進化を遂げているか？そういったことが知りたくなり手始めに本書を読んでみたのだ。本書を選んだのはアマゾンのレビューでの評価が良かったからである。
なお、熱力学と伝熱工学をまとめて「熱工学」と呼ぶそうだ。伝熱工学は1820年代にフーリエの熱伝導の研究から始まり、1930年頃までに整理されて現在の形にまとめられていったという。
本書の章立ては次のとおりだ。（詳細目次は本記事のいちばん下を参照）
第１章：序論
第２章：熱伝導と熱伝導方程式
第３章：定常熱伝導
第４章：非定常熱伝導
第５章：各種熱伝導問題
第６章：近似解析法：プロフィル法と数値計算法
第７章：対流と熱伝達
第８章：強制対流熱伝達
第９章：自然対流熱伝達
第１０章：熱放射
第１１章：放射伝熱
前半の５章を熱伝導の記述に、後半の３章を熱伝達（対流伝達）、２章を熱放射の記述に割いている。
第１章は序論で「熱力学と伝熱工学の違い」および「伝熱の形態に熱伝導、熱伝達（対流伝達）、熱放射の３種類あること」が解説される。本書では「温度が一様な平衡状態にある系を対象として、系がある平衡状態から他の平衡状態に移るときの状態変化、熱あるいは仕事の出入りを議論する」のを熱力学、「温度の非平衡を前提として温度の空間分布や時間変化、熱の移動速度を議論する」のを伝熱工学であると説明している。
第２章は熱伝導の物理を解説した章。熱伝導方程式やその初期条件、境界条件のたてかた、熱伝導方程式系の無次元化や相似則、熱伝導問題の解法、熱伝導率と温度伝導率についての解説がされている。解法には数式による解析解（厳密解）を計算するもののほか、数式による近似解を得る方法、数値計算による方法の種類などをおおまかに学ぶ。
第３章は熱伝導のうち「定常熱伝導」と呼ばれる現象の計算方法を物体の各形状にごとに解説している。定常熱伝導とは時間が経って物体の各部分の温度分布が変化しなくなった状態のことだ。形状の違いに応じて解析的な計算方法が整理されて紹介されている。物体の形状は平板、円柱、球のほか、多層平板、多層円柱、多層球など物性の異なる物体間の熱の移動の計算方法も紹介される。また熱伝導を電気抵抗とのアナロジーを使って解く方法もこの章で学ぶ。
第４章は「非定常熱伝導」つまり時間の経過に従って変化する温度の計算方法を物体の形状ごとに解説する。しかしこの段階になると問題は難しすぎて解析解が得られるのはごく稀だ。そのため「ハイスラー線図」を始めとするグラフや数表を補助的に使って問題を解かなければならない。実際「熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂」で紹介したように非定常熱伝導の解析解は無限級数での表示にとどまっている。だから具体的な数値をその都度計算するのは効率が悪く現実的ではないのだ。
第５章は「各種熱伝導問題」として「熱通過」、「フィンの熱効率の計算」、「相変化を伴う熱伝導」、「熱伝導の逆問題」などについての計算方法を学ぶ。「熱通過」とは熱交換器など２つの流体が隔壁をはさんだ形で熱の移動が行われる仕方のことである。つまり熱伝達と熱伝導が一体となった形の伝熱方法だ。
第６章の「近似解析法：プロフィル法と数値計算法」では解析的に解けない熱伝導問題に対する２つのアプローチが紹介される。１つ目はプロフィル法と呼ばれる数式計算による方法だ。これは熱伝導方程式を多項式で近似し、初期条件や境界条件を代入して多項式の係数を求めて解を得る方法だ。おおむね数パーセントの誤差が生じてしまうが、現実的な時間と精度で解を求められるのが利点で、多次元に応用できないのが欠点だ。２つ目はコンピュータを使ったシミュレーション解法で、いちばん代表的な「差分法」が紹介される。
「熱伝導」についての解説はこの章までである。
第７章の「対流と熱伝達」：この章から３章にわたって熱伝達（対流による熱伝達）による伝熱計算の方法が解説される。現象としてのイメージは物体の回りに液体や気体などの流れがあり、それによって物体の熱が奪い去られる状況を思い浮かべると分かりやすいだろう。第７章ではこの状況を物理的にどのように数式表現するかということに重点が置かれる。結果として得られるのは「連続の式」、「運動方程式」、「エネルギー方程式」の３つの偏微分方程式だ。
熱伝導率は物体内の熱の移動にかかわる数値だが、この章で紹介される熱伝達率は物体の表面から出る熱にかかわる数値である。またこの章ではレイノルズ数を始めとする伝熱工学で用いる各種の無次元数が紹介される。（ビオ数、エッカート数、フーリエ数、グラスホフ数、ヌッセルト数、ペクレ数、プラントル数、レイノルズ数、スタントン数）これらは伝熱工学を理解するために必須な数値である。
第８章の「強制対流熱伝達」では対流熱伝達のうち「強制的におこした流れ」による熱伝達の計算方法が解説される。イソップ物語の「北風と太陽」の北風が旅人の体温を奪う状況、風呂あがりに扇風機にあたって涼む状況のことだ。流れが穏やかな状況を「層流」、勢いがついて不規則な流れになった状況を「乱流」と呼ぶが、それぞれの状況でどこまで理論が完成しているのか本書を読めばよく理解することができる。
第９章「自然対流熱伝達」では物体のもつ熱によって自然に対流がおきている状況で行われる熱伝達の計算方法が解説される。章を分けて書いてあることからわかるように「強制」と「自然」では計算方法が違うのだ。「自然対流」のほうがよく研究され、緻密な理論が構築されている。理解するのはとても難しいが、こういうことが戦前から戦後にかけて研究されていたことを知って、またひとつ知らない世界が目の前にあらわれた気がした。
第１０章の「熱放射」は３つ目の熱伝達の方法だ。赤外線ヒーターにあたって温まる状況やイソップ物語の「北風と太陽」で言えば「太陽」の光が旅人にあたって体温を上昇させる状況である。第１０章ではそのうち物理的な側面が解説される。つまり熱放射、黒体放射、プランクの式、ステファン-ボルツマンの式、吸収率、反射率、透過率、灰色面近似、気体の熱放射などだ。
第１１章の「放射伝熱」の章では計算方法を具体的に学ぶ。放射伝熱というのは要するに物質から出る熱線（電磁波）が他の物体におよぼす熱的影響のことなので、相手の物体から自分が「見えるか、見えないか」という幾何学的な配置を元にして計算するわけなのだ。物体はお互い熱線を出し合っているし、自分が発した熱線が自分自身に戻る場合も考えなくてはならない。理屈ではそうなるわけだが、具体的にどう計算すればよいのかがこの章で解説される。
本書を読み終えて
伝熱工学がカバーする範囲はとても広く、かつそれぞれの分野は深いので本書のように260ページ程度の本では「概説」するだけで終わってしまうことがわかった。したがって本書で方程式の解に至る導出過程が示されているケースが少ないのもうなずけた。数式をていねいに導出すると本の厚さは３倍以上になってしまうだろう。
伝熱工学の本として読んだ１冊目なので、必要なことがすべて網羅されているかは他書と比べてみる必要があるが、それぞれの項目をより詳しく学ぶのためにはもっと専門的な書籍（主に洋書）を読むしかなないこともわかってきた。
自分にとって伝熱学は新しい分野だったので知らないことの連続だった。最終的にはコンピュータのシミュレーションで解決するのが現代のやり方なのだろうが、過去の研究者の足跡をたどってみることは大切だと思った。
関連ページ：
Webラーニングプラザ：熱工学（工業熱力学と伝熱学）の内容
http://weblearningplaza.jst.go.jp/cgi-bin/user/top.pl?next=lesson_list&type=simple&field_code=31&course_code=452
Excelによる伝熱工学
http://chemeng.in.coocan.jp/ExcelCe/exhc.html
伝熱工学講義ノート(PDF)
http://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/Lecture/HeatTransfer/HeatTransfer_6thAll.pdf
関連記事：
伝熱工学 (JSMEテキストシリーズ)：日本機械学会
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/bfd58adf704e39cb64ca95224c7262b5
熱の解析的理論：ジョゼフ・フーリエ著、ガストン・ダルブー編纂
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/5bcc7bc3efc16463743cd01d3c989622
なっとくする偏微分方程式：斎藤恭一
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/16d054ebc14ad1c4336f2b9f997eb00c
図解 熱力学の学び方 (第2版)：北山直方
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/f48fd3b842e6330e42fe682dd680e315
熱学思想の史的展開：山本義隆
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/d1b18caf10c0e9a10baff20434eb9ffc
フェルミ熱力学：エンリコ・フェルミ
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「伝熱工学（東京大学機械工学）：庄司正弘」
「東京大学機械工学」シリーズの刊行にあたって
まえがき
本書の内容について
用語、記号と単位
第１章：序論
- 伝熱とは
- 熱力学と伝熱工学
- 伝熱の基本形態
-- 熱伝導
-- 熱伝達
-- 熱放射
- 実際の伝熱問題
- 単位系や記号など
第２章：熱伝導と熱伝導方程式
- 熱伝導方程式
-- 熱伝導方程式の導出
-- 熱伝導問題の種類
-- 定常問題および特殊条件下の熱伝導方程式
- 初期嬢kんと境界条件
-- 初期条件
-- 境界条件
- 熱伝導方程式系の無次元化と相似則
-- 熱伝導方程式系の無次元化
-- 熱伝導問題における相似則
- 熱伝導問題の解法
- 熱伝導率と温度伝導率
-- 気体の熱伝導率と温度伝導率
-- 液体の熱伝導率と温度伝導率
-- 固体の熱伝導率
-- 断熱材
第３章：定常熱伝導
- １次元定常熱伝導問題
-- 無限平板、無限円筒、球殻
-- 無限円柱、球
-- 熱抵抗と１次元多層物体の熱伝導
-- 断面積や物性が変化する１次元定常熱伝導
- 多次元定常熱伝導
-- 変数分離法による２次元問題の解法
-- 等角写像法による２次元問題の解法
-- 形状係数
第４章：非定常熱伝導
- １次元非定常熱伝導
-- 平板、円柱、球の熱伝導
-- ハイスラー線図
-- デュアメルの定理
-- 半無限物体の熱伝導
- 多次元非定常熱伝導
-- 集中熱容量法
-- 解の可積性
第５章：各種熱伝導問題
- 熱通過
-- 熱通過率と総括熱抵抗
-- 多層体の熱通過率
-- 汚れ係数と接触熱抵抗
- フィンの熱伝導
-- フィン効率
-- 矩形フィンの解析
-- 各種形状フィンと計算図表
- 相変化を伴う熱伝導問題
-- ステファン問題
-- 準定常解
-- 数値計算法
- 熱伝導の逆問題
-- 順問題と逆問題
-- １次元逆問題
-- 多次元問題と差分法
-- 逆問題計算における注意点
第６章：近似解析法：プロフィル法と数値計算法
- プロフィル法
-- 特徴と解析手順
-- 半無限固体の熱伝導解析
-- ステファン問題の解析
-- 解精度向上法としての変分法
- 数値計算法
-- 差分法の計算手順
-- 微係数の差分表示
-- 熱伝導方程式と境界条件の差分表示
-- 陽解法と陰解法
-- 連立方程式の解法
-- 解の精度と計算の安定性
-- 差分法以外の数値計算法の概説と特徴
第７章：対流と熱伝達
- 熱伝達と熱伝達率
- 境界層
-- 速度境界層と温度境界層
-- 層流と乱流
- 運動方程式
-- 連続の式
-- 運動方程式
- エネルギー方程式
- 境界層近似
- 相似則と無限次数
-- [参考]次元解析
- 流れと熱のアナロジー
- 乱流
- 熱伝達率の測定法
第８章：強制対流熱伝達
- 平板に沿う層流の熱伝達
-- 流れの解析：ブラウジウスの解
-- 温度分布の解析：ポールハウゼンの解
-- 熱伝達率
-- プロフィル法による解
- 平板の沿う乱流の熱伝達
- 円柱を横切る流れと熱伝達
- 円管内の発達した層流の熱伝達
-- 流束分布
-- 温度分布
-- 熱伝達
- 円管内の発達した乱流の熱伝達
- 円管内の助走区間の熱伝達
-- 流れが発達している場合
-- 流れ、温度ともに未発達の場合
第９章：自然対流熱伝達
- 垂直平板に沿う自然対流の層流熱伝達
-- 運動方程式とエネルギー方程式
-- 方程式の無次元化と特性無次元数
-- 解析解
-- プロフィル法による近似解
- 垂直平板に沿う自然対流熱伝達の相関式
第１０章：熱放射
- 熱放射
- 熱放射の強さ
-- 射出強度
-- 射出能
- 黒体放射
-- 黒体
-- プランクの式
-- ウィーンの変移則
-- ステファン-ボルツマンの式
- 物体表面の熱放射：射出率
- 吸収、反射、透過
-- 吸収率、反射率、透過率
- キルヒホフの法則
-- 灰色面近似
- 気体の熱放射
-- ビアの法則
-- 射出と吸収
- 太陽放射
第１１章：放射伝熱
- 形態係数
-- 形態係数の計算式
-- 形態係数間の関係式
-- ２次元表面間の形態係数
-- ３次元表面間の形態係数
- 灰色面系の放射伝熱
-- 射度と閉空間系の放射伝熱
-- 基本的な灰色面系の放射伝熱
-- 放射熱遮蔽
-- ネットワーク法
- 規則反射成分がある場合
- 吸収性、透過性物質の取扱い
-- 反射性が無視できる場合
-- 反射性を考慮する場合
- ガス塊と固体面の放射伝熱
付録：
A：１次元非定常熱伝導問題の固有値
B：誤差関数とベッセル関数
C：無次元数一覧
D：熱工学研究史
E：各種単位系と単位換算
F：各種物質の熱物性
G：教科書・参考書
索引
アクセス
トータル
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はい、すごく興味深く読めました。けれども「深さ」の点では少し不満が残りましたが、ページ数を考えれば仕方のないことでしょう。
非平衡系の熱力学、非平衡系の統計力学、流体力学との間の狭間にますます興味がわいてきますね。解明されていない部分はすごくたくさんあると思います。
もしお読みになるのでしたらこの本じゃなく「伝熱工学 (JSMEテキストシリーズ)」のほうをお勧めします。こちらは今読み始めたところで次回の紹介記事にする予定です。こちらの本のほうが網羅的かつ標準的、実際の計算に役立つ記述が多いです。
毎晩２時間のウォーキングで読書時間は削られていますが、両方ともこつこつと進めてまいります。