基板と熱設計

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更新日 2016-01-20 | 作成日 2007-12-03


☑基板と熱設計

5. 5. 熱と温度の関係

株式会社ジィーサス

2010.11.25

こんにちは、株式会社ジィーサスの藤田です。
前回は熱というものを様々な角度から分析(?)してみましたが、今回は熱設計の観点から考えていきたいと思います。

th_101125_1.JPG皆さんは熱の影響を調べるとき、必ず温度を測りますよね?部品や製品内部温度を測定して温度が高いと「熱設計がヤバいかな?」なんて思いますよね?でも熱と温度の関係をちゃんと理解していますか?
たとえば風邪をひいたときに「熱があるみたい」と言って体温を測って、「38℃も熱がある!今日は会社休まないと。」というような会話をすると思いますが、このときは熱=温度として会話しているのではないでしょうか?

th_101125_2.JPG前回の説明で熱はエネルギーの移動形態という説明をしました。そして具体的な数値は仕事と同じであることも説明しました。それに対し温度とは何なのでしょう?よく聞く話は「水が固体から液体に変わる温度を0に、液体から気体に変わる温度を100とした値」というものですが、「じゃ何が0で何が100なの?」と聞きたくなりませんか?ならないですよね?それはみなさんが小さいころから身近に「温度」を感じていたからだと思います。
皆さんはたぶん生まれて記憶がない時代から「温度計」を使っていた(使われていた)と思います。今でこそデジタル体温計が普及していますが、昔から使われているのは「水銀温度計」や「アルコール温度計」でした。その構造は液体をガラス管に封入したもので、温度はその液体の液面の高さを示したものです。液面の高さはなぜ変化するのでしょうか?液体が膨張・収縮するからですよね?それでは液体はなぜ膨張・収縮するのでしょうか?これを繰り返していくと前回に書いたように物理学や化学などの世界に入ってしまうので、ここでは簡単なモデルで説明しようと思います。

固体、液体、気体など物質を構成しているのは原子や分子だと学んでいると思いますが、その原子や分子のイメージは右図のようなもの(原子は原子核の周りを電子が飛び回っていて、その原子が複数個結合したのが分子のイメージ)だと思います。より詳しい人は原子核や電子を「粒じゃなくて雲のようなもの」と言うかもしれませんが、とりあえずここでは原子核も電子も「粒」だと思ってください。th_101125_3.JPG
次に、この原子や分子にエネルギーを与えるとどうなるかをイメージしてください。「エネルギーを与える」というのはどんなイメージかというと、ゴルフボールをクラブで叩くようなイメージです。そうするとどうなりますか?粒は飛んでいきますよね?この時、たとえばゴルフ練習場の周囲がネットで覆われているとして、叩いたボールがネットまで飛んだらどうなりますか?ネットが揺れるのと同時にボールは跳ね返るか、下に落ちますよね?もう少しイメージをふくらまして、たとえば同時に数万とか数億のボールを叩いたらどうなりますか?ボールはネットに当たるだけでなくボール同士もぶつかって大混乱になりそうですが、それでもかなり大量のボールがネットに同時に当たるので、ゴルフ練習場の外から見ている人には、ネットが膨れたように見えるのではないでしょうか?そしてその大量のボールを継続して叩き続けたらどうなるでしょうか?ネットは常に膨れたままになりますよね?次にこのゴルフ練習場のネットを熱気球の球皮だと思ってください。中のボールは空気分子で、ゴルフクラブの代わりはバーナーです。同じイメージに思えませんか?th_101125_4.JPG

何を理解してほしかったかというと、原子や分子にエネルギーを与えると原子や分子が動き、それを外部からマクロに見ると「膨張」という現象に見えるということです。温度計に封入された液体も同じで、外部からエネルギー、つまり熱を与えると中の原子や分子が動くので膨張するのですが、動ける方向が1方向のみなのでその方向に膨れ、結果として液面が上昇するのです。原子や分子が動くのは「外からもらったエネルギーを、運動エネルギーとして原子や分子が保持している」と考えることもできます。