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電気加熱

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電気加熱

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電気加熱方式

電気加熱の方式

電力を熱エネルギーに変換して熱を得ることを「電気加熱」(電熱)といいます。電気加熱は工業用の「電気炉」に使われるほか暖房器具や調理器具などの身近な電気機器にも利用されています。
電気加熱の方式には次のような種類があります。

抵抗加熱

抵抗加熱

抵抗に電流を流すと発生する熱(ジュール熱)を利用。温度制御が容易で構造も容易。
トースターや電気カーペット、抵抗炉に利用されています。

アーク加熱

アーク加熱

アーク放電による発熱を利用。高温を得ることができます。
アーク溶接やアーク炉に利用されています。

誘導加熱

誘導加熱

電磁誘導によって生じる渦電流を利用。急速加熱、真空中での加熱が可能。
IHヒーターや誘導炉、高周波焼入れに利用されています。

誘電加熱

誘電加熱

高周波の電界中に物質を置くと物質の分子が激しく振動して発熱する方式。内部加熱、均一加熱ができる。
木材接着、電子レンジに利用されています。

赤外線加熱

赤外線加熱

高温に熱した発熱体から放射される赤外線を利用。急速加熱が可能。
ハロゲンヒーターに利用されています。

電気加熱の特徴

電気加熱を他の加熱方式と比べると以下のような特徴があります。

・温度制御が容易である

・非常に高い温度が得られる(アーク加熱)

・内部加熱や局部加熱、均一加熱ができる(誘電加熱)

・急速加熱が出来る

・ガスや特殊な空気中でも加熱できる

・熱効率が高い

電気炉の種類

電気を利用して物質を加熱する装置を「電気炉」といい金属や窯業などで用いられています。電気炉には加熱方式によって次のような種類があります。

抵抗加熱

・直接式抵抗炉:被加熱物に直接電流を流しその抵抗によって内部から発熱させる。

・間接式抵抗炉:抵抗を発熱させその熱を被加熱物に伝える。

アーク加熱

・直接式アーク炉:被加熱物と電極間にアーク放電を発生させる

・間接式アーク炉:電極間のアーク放電による熱を被加熱物に伝える

誘導加熱

・誘導炉:電磁誘導によって被加熱物に電流を流しその抵抗による発熱を利用する

熱量の計算

ジュールの法則

R(Ω)の抵抗にI(A)の電流をt秒間流したとき発生する熱量Hは次の式で表されます。
この式を「ジュールの法則」といい、熱量の単位には「ジュール」(J)やキロジュール(KJ)が用いられます。

電熱装置の消費電力がすべて熱量に変わるとすれば消費電力量(W・s)と発生熱量(J)との間には次の関係が成り立ちます。

1(W・s)=1(J)

比熱と熱容量

物質1gの温度を1℃高めるのに要する熱量を「比熱」といい単位記号(J/g・K)を用いて表します。
1gの水を1℃高めるのに要する熱量は約4.2Jなので水の比熱は4.2(J/g・K)です。
また、ある物質の温度を1℃高めるのに要する熱量を「熱容量」といいます。熱容量は比熱と質量の積で表され、単位J/Kを用いて表します。
なお、熱量は「カロリー」(cal)という単位を用いて表すこともあり、1gの水の温度を1℃上げるために必要な熱量が1calとなります。水の比熱が約4.2J/g・Kなので、1cal=約4.2Jの関係があります。

水の加熱と所要電力

電熱器を使って水をT1⇒T2(℃)に高めるのに要する所要電力(W)の求め方をマスターしましょう。

m(g)の水を1℃高めるための熱量(J)は、水の比熱を4.2(J/g・K)とすれば、4.2×m(J)です。したがってT1(℃)からT2(℃)に高めるための熱量は次のようになります。

H=4.2m(T2-T1)(J)・・・①

一方、電熱器の消費電力をP(W)、加熱時間をt(s)とすれば、消費電力、Pt(W・s)で表されます。消費電力のうち、熱量に変換される割合(効率)をηとすれば、電熱器の発生熱量は、次のように求められます。

H=Ptη(W・s=J)・・・②

式①②より電熱器の所要電力P(W)は次のようになります。

電熱器の所要電力

比熱を変えれば水以外の物質を加熱する場合の所要電力も求めることができます。

熱の伝わり方

熱オームの法則

図のように熱が温度の高い方から低い方へ伝わっていく現象を「伝導」といい、物体中を単位時間に伝わる熱量を「熱流」といいます。
熱流は記号Iで表し、次式のように表すことができます。熱流の単位にはW(ワット)を用います。

熱オームの法則

記号λは物体の熱の伝わりやすさを表す係数で「熱伝導率」といいます(W/m・K)。
上式は次のように変形できます。

温度差の公式

記号Rは物体の熱の伝わりにくさを表し「熱抵抗」といいます(K/W)。すなわち温度差θは熱流Iが大きく熱抵抗Rが大きいほど大きくなります。

ステファン・ボルツマンの法則

熱が物体自体から放出されて伝わっていく現象を「放射」といいます。
黒体の表面から放射される単位面積当たりのエネルギーは、その絶対温度の4乗に比例します。これを「ステファン・ボルツマンの法則」といい次式で表します。

ステファン・ボルツマンの法則

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