構造物温度

質問

冬期の構造物温度について勉強していますが、
データにより、深夜から早朝までの構造物温度は気温より低くなっていて、それは何ででしょうか？
自分には熱容量の違いから生じた影響であるからと考えたが、その他に何かほかの原因がないでしょうか？
それで、熱流束について夏期には太陽放射熱に大きく影響しているという結果をありますが、冬期には日射の影響あまりないと考えて、大気放射量と構造物の放射量が熱流束を主に影響しているではないかと思い、その考えは合っているでしょうか？そして、構造物温度が気温より低くなるのは熱流束で説明するとどうなるですか？原因は何でしょうか？
いっぱい聞きましたが、よろしくお願いいたします。

回答No.4

nzw · ベストアンサー

>構造物温度と外気の関係は放射冷却で説明するのはいいですか？構造物は昼間に日射を受けて温度がどんどん上昇していって夜になると放射冷却により、熱を外に放出するから温度は低くなっていきます。

放射現象があなたの実験された系において重要な要素であることはおそらく間違いないでしょう。
　ただ、先にも述べましたが、放射するといっても、より温度の低い先に電磁波を放射しないと温度は下がりません。ということで、構造物と外気だけでは温度は下がらないわけですね。

>放出された熱は高い天空まで昇っていくと考えています。
　これも、たぶんそうなっているでしょう。ただ、そうなるためには、構造物から出ている電磁波を外気があまり吸収しないということが必要になります。構造物が出す電磁波を外気がすべて吸収してしまっては、外気との温度差は発生しません。ここで構造物の輻射特性や、外気の電磁波の吸収率などが問題になるわけです。
　あと、もし構造物が輻射で失う熱による温度差を、外気から構造物への熱伝導などによる熱流で速やかに補償すれば温度差も発生しません。ということで単に比熱の差というのは単純すぎるわけですね。

　なお、上記モデルで本当に現象を説明できるかは、示されているデータや測定条件などが少なすぎるのでなんとも言えませんが、たとえば輻射による外界への熱流が抑制される雨天時のデータと、もっとも大きくなる晴天時のデータを比較するのも検証の一つとなるでしょう。

　あと、普通温度変化の問題は、空間微分と時間微分の双方を含む扱いにくい偏微分方程式になるのですが、定性的に説明するだけなら、
1)構造物
2)外気
の２つはそれぞれ均一の温度とし、
3)輻射の逃げていく外界
は絶対零度として、それぞれの系の間での熱流を
輻射熱
熱伝導
の2種類だけとしてモデル化することでいいと思います。この場合、単なる時間微分だけの全微分連立方程式になるのでおそらく解くのも簡単でしょう。

回答No.3

ctrpiv

専門家でないので熱流束というのが何かは知らないんですが、構造物温度が気温より低くなるのは構造物が放出する長波放射が受ける長波放射を上回っているためです。
日中は短波放射（すなわち日射）が大きく影響しますが夜間の話だということで日射の影響は無視します。

構造物は表面から長波放射の形で常にエネルギーを放出しており、そのエネルギーのフラックスはステファンボルツマンの式であらわせます。

フラックス＝放射率*ステファンボルツマン定数*表面温度^4

この放射率は構造物によって、また同じ構造物でも波長によって(すなわち温度によって－波長と温度の関係はプランクの式を参照)変わります。

構造物は大気や他の構造物からも長波放射を受け取るので、結局、構造物表面上では放出したエネルギーから受け取ったエネルギーを引いた分のエネルギーが常に減っているんです。

その分、構造物の表面はどんどん冷えていきます。
熱は熱いところから冷たいところに流れるので、構造物表面の冷えを補うために、構造物の表面と接している大気や構造物内部から熱が補給されます。でもこの補給する早さが追いつかない場合に構造物表面はどんどん冷えて行きます。また、構造物の内部が薄かったり比熱が小さかったり、熱輸送の抵抗が大きかったりすると、内部からの熱の補給に限界があるので、構造物表面温度は気温に比べて、より低くなりがちです。

ちょっと自信はありませんが、大体こういう理由であってるんじゃないかと思います。

お礼

いろいろ詳しく説明してもらって本当にありがとうございます。

回答No.2

nzw

まず、熱と温度の基本からおさらいすると
・温度というものが存在する
・熱は温度が高いほうから低いほうに常に流れる
・熱を受け取ると温度が上昇し、捨てると温度が下がる
・温度差がある限り熱は流れ、温度差がなくなると流れは止まる
ここまではいいですよね。（とりあえず発熱や吸熱、仕事の話は置いておきました。）

　さて、あなたの問題において、構造物と外気という二つの物質だけでは構造物が外気よりも温度が低くなるということが説明できないのは気づきましたか？
　ある時点で構造物が外気よりも温度が低い（かつおそらくそれ以前の時点では温度が高かった）ということは、構造物が外気以外に熱を捨てたということです。

　最終的には比熱も絡んできますが、
・どこに熱が捨てられたのか？
・どのように熱が捨てられたのか？
について考察してみてはどうでしょうか。

補足

いくつかの点を参考させてもらってありがとうございます。
ここでもう少し聞きたいですが、構造物温度と外気の関係は放射冷却で説明するのはいいですか？構造物は昼間に日射を受けて温度がどんどん上昇していって夜になると放射冷却により、熱を外に放出するから温度は低くなっていきます。放出された熱は高い天空まで昇っていくと考えています。そして、なぜ構造物温度は外気より高いかというと、構造物の比熱は外気より小さいから、同じ放射冷却が起こっても外気のほうが構造物温度より高いという結果になりました。
以上は自分がいろいろな資料を参考して考えた回答ですが、正しいですか？
よろしくお願いいたします。

回答No.1

tosiki

単純に、比熱ではないでしょうか？

真冬の深夜に鉄板に触ると凍傷になる可能性があり、
手が離れなくなる可能性もあります。
（水より温度は低いはず）

空気は思ったより比熱は高いです。

真夏に日陰のコンクリートに触ると、
冷たいですね。＾＾

直射日光に当たる所は50度を平気で越えます。

熱しやすく、冷めやすいのでは？
（力学はわかりませんので。＾＾；）

お礼

ご回答ありがとうございます。参考になりました。