９．建築材料の熱的性質 融点 一定圧力下で固相と液相が熱力学的に平衡に共存する 温度 純物質 ：一定温度、融点＝凝固点 混合物質 ：融点は組成とともに変化 融解 相転移、相の構造が変化 比熱 融点以下の温度：結晶の比熱 融点以上の温度：液体の比熱 ９．建築材料の熱的性質 融点 ９．建築材料の熱的性質 ガラス転移点 融点以下の固体状態で、相転移を起こさずに性質が急激 に変化する物質固有の温度 ガラス・非晶質合金・高分子などの非晶質、一部結晶質を 含む非晶質物質 転移点より低温：固体状態の挙動 転移点より高温：過冷液体の挙動 ゴム類 ：220～350K プラスチック ：240～390K ９．建築材料の熱的性質 ガラス転移点 ９．建築材料の熱的性質 比熱 単位質量の物質の温度を単位温度だけ上昇させるのに 必要な熱量 定圧比熱 定積比熱 圧力を一定に保ちながら熱を加えるときの比熱 体積を一定に保ちながら熱を加えるときの比熱 定圧比熱と定積比熱の差 固体・液体では数% ９．建築材料の熱的性質 伝熱（熱移動） 伝導 物質の移動なしに熱が伝わる現象 絶縁体物質が接している場合 高温側の激しい格子振動が低温側に伝わることによる熱移動 金属 伝導電子による熱移動も重要な役割 輻射 物質が熱エネルギーを電磁波として放射し、離れて存在する他 の物質で受け取られて再び熱エネルギーになる現象 対流（熱伝達） 熱エネルギーを持っている物質が密度差や流動によって場所を 移動する際、熱エネルギーも移動する現象 液体・気体が関与 ９．建築材料の熱的性質 熱伝導 熱流速 x方向に単位時間に単位断面積を通過する熱量（J） 定常状態の場合（フーリエの第１法則） (t t ) T J 1 2 d x ∂T/∂x：温度勾配、λ：熱伝導率 熱エネルギー保存則 ある領域に蓄積される熱量＝（流入する熱量）－（流出する熱量） フーリエの第２法則（非定常状態での温度と時間と位置の関係） T 2T a 2 , a t C x ρ：密度、C：比熱、a：熱拡散率 J ９．建築材料の熱的性質 ９．建築材料の熱的性質 対流（熱伝達） 物質表面から周囲空気への熱の移動 材料表面の空気の対流による熱の移動量 J ( Ts - Ta ) α：対流熱伝達率 材料固有の値ではない 影響因子 材料表面の形状・寸法 周囲の気流特性（屋外であれば風向きや風速） Ts：材料表面温度 Ta：周囲空気温度 J ９．建築材料の熱的性質 熱貫流 熱貫流抵抗 R ri rk ro ri, ro：熱伝達抵抗（=1/λ） rk：熱伝導抵抗（=1/a） ９．建築材料の熱的性質 輻射伝熱 物体表面（温度T）から単位面積・単位時間あたりに射出 される輻射熱エネルギー E T 4 ε：材料の放射率（0≦ε≦1） δ：ステファンボルツマン定数 （=5.67×10-8 [kcal/(h ・m2 ・K4)]） T：黒体の絶対温度（=273+θ℃） ９．建築材料の熱的性質 輻射伝熱 相対している２物体間の差引伝熱量 相互の輻射熱エネルギーの差 高温の平面材料Ⅰ から低温の平面材料Ⅱへの放射伝達熱量 E12 12S( T14 T2 4 ) ε12 S ：材料Ⅰから材料Ⅱへの有効放射率 1 12 1 1 1 1 2 ：材料の面積 ９．建築材料の熱的性質 輻射伝熱 入射エネルギー γ+α+τ=1 吸収エネルギー：α 透過エネルギー：τ 反射エネルギー：γ 吸収率＝吸収エネルギー／入射エネルギー 黒体：吸収率=1の物体 非金属：吸収率=0.75～0.95 ９．建築材料の熱的性質 熱膨張 温度上昇に伴い平均原子間距離が増加し材料が膨張す る現象 dL dT L L：ある温度での長さ dL：温度をdT変化させたときの長さの変化分 α：線膨張係数、温度の関数 等方性材料：体積膨張=3×線膨張 異方性材料：方向によって線膨張係数が異なる インバー合金：ほとんど膨張を示さない αウラン、炭素繊維：特定の方向で負の線膨張係数 ９．建築材料の熱的性質 熱応力 熱膨張による変形が拘束される場合 線膨張係数の異なる複数の構成物質からなる複合材料 単相均質材料で変形が拘束されない場合：熱応力=0 熱変形が拘束される場合 温度dTの上昇 長さL0の棒 L0の長さに拘束 ：L0→L0(1+αdT) ：-L0αdTだけ圧縮、熱応力=EαdT 複合材料の場合 作製・使用過程での温度変化による残留応力が発生 ９．建築材料の熱的性質 熱応力 ９．建築材料の熱的性質 熱応力 ９．建築材料の熱的性質 熱的性質に基づく材料選択 熱伝導が支配的な場合 定常状態 熱伝導率λが大きいほど熱流速Ｊは大きい 非定常状態 熱拡散率ａが大きいほど速く熱が伝わる 熱流の進む距離 at 熱流が厚さsの壁の裏面に伝わる時間（C：比熱） s 2 s 2 C t a 断熱材 定常状態 熱伝導率が小さい発泡材（発泡スチロールなど）が有利 非定常状態 熱拡散率の小さいポリマー（ポリスチレンや塩化ビニルなど）が有利 ９．建築材料の熱的性質 熱的性質に基づく材料選択 熱伝導が支配的な場合 ９．建築材料の熱的性質 熱的性質に基づく材料選択 熱容量が支配的な場合 蓄熱量のみ考慮する場合 物体をΔＴだけ温度上昇させるのに必要な熱量（ρＣΔＴ）が指標 実際の蓄熱材 昼間に蓄熱した太陽熱を夜間に暖房として取り出す 時間tの間の蓄熱量 Q t T a1 / 2 ｔの間に熱流が進む距離（ at ）は装置の大きさと対応 aがあまり大きなものは蓄熱材に不向き 装置の寸法1m、蓄熱時間12時間の場合：a<10-6～10-5m2/s λ/a1/2が大きく、aのあまり大きくないものが優位 コンクリート、岩石、氷（融解潜熱が加算されるためさらに有効） ９．建築材料の熱的性質 熱的性質に基づく材料選択 熱応力（σ＝ＥαΔＴ）が支配的な場合 材料（強度σＢ）が耐えられる温度上昇 T B E 石英ガラス：1000℃、パイレックスガラス：200℃、ソーダガラス：40℃ 鋼：200℃、レンガ：300℃、コンクリート：70℃ 非定常状態の場合、熱伝導率も関与 熱膨張率が大きく、熱伝導率が低い場合：熱応力大、高強度でも不利 熱疲労 温度変動を受けて塑性変形を繰返し、低サイクル疲労と類似の機構に よって破壊 線膨張係数の異なる構成材料からなる複合材料 線膨張係数の差による材料間の剥離・亀裂 線膨張係数を合わせる工夫が必要
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